Pole magnetyczne — źródła, właściwości i reguła prawej dłoni

Pole magnetyczne opisuje, jak magnesy, poruszające się ładunki i prądy elektryczne wpływają na inne poruszające się ładunki oraz materiały magnetyczne w otaczającej je przestrzeni. Oznacza się je symbolem $B$ i mierzy w teslach $(\mathrm{T})$.

Najważniejsza jest tu kierunkowość. Pole magnetyczne jest polem wektorowym, więc w każdym punkcie ma zarówno wartość, jak i kierunek. Reguła prawej dłoni to najczęściej stosowany skrót do wyznaczania tego kierunku w prostych przypadkach.

Co Oznacza Pole Magnetyczne

Możesz myśleć o polu magnetycznym jako o tej części środowiska elektromagnetycznego, która mówi, jak zostanie popchnięty poruszający się ładunek albo przewodnik z prądem.

Dla ładunku $q$ poruszającego się z prędkością $v$ pod kątem $\theta$ do pola wartość siły magnetycznej wynosi

$$F = qvB\sin\theta$$

Ten warunek ma znaczenie. Jeśli ładunek się nie porusza, magnetyczna część siły jest równa zeru. Jeśli porusza się dokładnie równolegle lub antyrównolegle do pola, wtedy $\sin\theta = 0$ i siła magnetyczna także jest równa zeru.

Skąd Biorą Się Pola Magnetyczne

W fizyce na poziomie wstępnym najczęstszymi źródłami są prądy elektryczne, poruszające się ładunki i magnesy trwałe. Cewka z prądem wytwarza pole magnetyczne, podobnie jak magnes sztabkowy.

W pełnej teorii elektromagnetyzmu zmienne pole elektryczne także może wytwarzać pole magnetyczne. Jest to ważne w falach elektromagnetycznych, transformatorach i równaniach Maxwella, ale wiele pierwszych zadań skupia się na prądach i prostych magnesach.

Najważniejsze Właściwości Do Zapamiętania

Pole magnetyczne jest wektorem, więc kierunek jest częścią odpowiedzi, a nie dodatkowym szczegółem.

Pola magnetyczne składają się zgodnie z zasadą superpozycji. Jeśli dwa źródła wytwarzają pola w tym samym punkcie, pole wypadkowe jest sumą wektorową tych pól.

Linie pola są pomocą wizualną, a nie rzeczywistymi nićmi. W każdym punkcie kierunek pola jest styczny do linii pola.

W standardowym ujęciu wstępnym linie pola magnetycznego tworzą zamknięte pętle, zamiast zaczynać się i kończyć tak jak linie pola elektrycznego na ładunkach.

Reguła Prawej Dłoni Dla Prostoliniowego Prądu

Dla prostego przewodu, przez który płynie prąd umowny, skieruj kciuk prawej dłoni w kierunku prądu. Zagięte palce pokazują kierunek pola magnetycznego okrążającego przewód.

To jedna z najbardziej użytecznych wersji reguły prawej dłoni, ponieważ pozwala szybko wyznaczyć kierunek bez dodatkowej algebry.

Uważaj na definicję prądu. Reguła używa prądu umownego, który jest skierowany tak, jak poruszałby się ładunek dodatni. W metalowym przewodzie elektrony przemieszczają się w przeciwną stronę.

Przykład Rozwiązany: Pole Wokół Długiego Prostego Przewodu

Załóżmy, że długi prosty przewód przewodzi stały prąd skierowany ku górze. Chcesz wyznaczyć kierunek pola magnetycznego w punkcie po prawej stronie przewodu.

Użyj reguły prawej dłoni. Skieruj kciuk prawej dłoni ku górze zgodnie z kierunkiem prądu. Palce zawijają się wokół przewodu. W punkcie po prawej stronie przewodu pole jest skierowane w głąb kartki.

Jeśli potrzebujesz także wartości pola, często używany wzór w szczególnym przypadku ma postać

$$B = \frac{\mu_0 I}{2\pi r}$$

Ten wzór stosuje się do długiego prostego przewodu z prądem stałym, w punkcie oddalonym o $r$, w próżni lub z dobrym przybliżeniem w powietrzu. Tutaj $\mu_0$ oznacza przenikalność magnetyczną próżni.

Na przykład, jeśli $I = 5.0\ \mathrm{A}$ i $r = 0.020\ \mathrm{m}$, to

$$B = \frac{(4\pi \times 10^{-7})(5.0)}{2\pi(0.020)}$$ $$B = 5.0 \times 10^{-5}\ \mathrm{T}$$

Zatem pole w tym punkcie ma wartość $5.0 \times 10^{-5}\ \mathrm{T}$ i jest skierowane w głąb kartki.

Ten przykład pokazuje dwie części odpowiedzi dotyczącej pola magnetycznego: wartość ze wzoru i kierunek z reguły prawej dłoni.

Typowe Błędy

• Traktowanie pola magnetycznego jak skalara i podawanie tylko wartości.
• Zapominanie, że reguła prawej dłoni używa prądu umownego, a nie przepływu elektronów.
• Stosowanie $B = \mu_0 I / (2\pi r)$ do przewodu o dowolnym kształcie, nawet gdy przewód nie jest w przybliżeniu długi i prosty.
• Zakładanie, że pole magnetyczne zawsze działa siłą na ładunek. Nieruchomy ładunek nie odczuwa siły magnetycznej.
• Mylenie kierunku pola z kierunkiem siły działającej na poruszający się ładunek.

Gdzie To Pojęcie Jest Wykorzystywane

Pola magnetyczne są wykorzystywane w silnikach, generatorach, transformatorach, aparatach MRI, głośnikach, kompasach i w ruchu cząstek naładowanych.

Są też podstawą wielu zagadnień z obwodów i elektromagnetyzmu. Skoro prąd wytwarza pole magnetyczne, można dzięki temu wyjaśnić działanie cewek, elektromagnesów i to, dlaczego zmienne pola są ważne w indukcji elektromagnetycznej.

Spróbuj Podobnego Przypadku

Spróbuj własnej wersji z tym samym przewodem, ale umieść punkt po lewej stronie przewodu zamiast po prawej. Zachowaj ten sam prąd i tę samą odległość. Najpierw użyj reguły prawej dłoni, aby wyznaczyć kierunek, a potem sprawdź, czy wartość się zmienia.