21.1: Магнітні поля

Last updated
Save as PDF

Page ID: 75360

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Так само, як ми можемо моделювати електричну силу на заряді за допомогою електричного поля (наприклад, від іншого заряду), ми можемо моделювати силу на магніті за допомогою магнітного поля (наприклад, від іншого магніту). З вашого досвіду, кожен магніт, який ви бачили, завжди має «північний» полюс і «південний» полюс. Швидше за все, ви помітили, що північний полюс магніту притягується до Південного полюса іншого магніту, і що два північних (або південних) полюса різних магнітів відштовхуються один від одного. Таким чином, магнітна сила приваблива між двома протилежними полюсами, а відштовхуюча інакше.

Саму Землю можна змоделювати як гігантський стрижневий магніт, з північним і південним магнітними полюсами. Полюси на магніті позначені Північ і Південь, відповідно до яких географічний полюс Землі вони притягуються до (магнітна стрілка компаса має магнітний північний полюс на стороні, яка вказує на північний географічний полюс Землі).

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Чи розташований магнітний північний полюс Землі ближче до географічного Північного полюса Землі або ближче до його географічного Південного полюса?

Земля не має магнітного поля.
Північний магнітний полюс Землі знаходиться на географічному північному полюсі Землі.
Північний магнітний полюс Землі знаходиться на географічному південному полюсі Землі.
Північний магнітний полюс Землі залежить від заряду спостерігача.

Відповідь

Може здатися, що магнітну силу можна описати так само, як і електричну силу, що має два протилежних знака «заряди» (або полюси для магнітів), хоча це не так. Наскільки ми можемо сказати, немає магнітів, які мають лише північний або південний полюс. Кожен магніт повинен мати північний і південний полюси. Це принципово відрізняється від електричної сили, де предмет може мати чистий позитивний або негативний заряд. У контексті магнетизму ми говоримо, що «монополів не існує» (об'єкт, який має лише Північний або Південний полюс, називався б монополем). Це проілюстровано на малюнку\(\PageIndex{1}\), який показує, що відбувається, коли один розрізає стрижневий магніт на дві частини; замість того, щоб закінчуватися північним і південним шматком (монополями), ми закінчуємо двома меншими стрижневими магнітами, кожен зі своїми власними північним і південним полюсами, і так далі, якщо ми спробуємо розділити магніти далі.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Коли стрижневий магніт прорізається посередині, один отримує два магніти, кожен з яких має північний і південний полюс, а не північний і південний магніт.

Ми моделюємо магнітну силу за допомогою вектора магнітного поля, зазвичай маркованого,\(\vec B\). Величина магнітного поля має одиниці С.І. Тесла (\(\text{T}\)). Малюємо лінії магнітного поля приблизно так само, як ми малюємо лінії електричного поля. Лінії магнітного поля такі, що вектор магнітного поля в деякій точці простору дотичний до лінії поля в цій точці.\(\vec B\) Напруженість магнітного поля визначається щільністю ліній поля в такому положенні в просторі. Напрямок магнітного поля\(\vec B\), вказує напрямок сили, яка чиниться на північний полюс магніту. Лінії магнітного поля таким чином стікають від північних полюсів і до південних полюсів.

Опис магнітного поля подібний до опису електричного поля, причому північні магнітні полюси схожі на позитивні електричні заряди, і навпаки. Однак, оскільки магнітних монополів не існує, лінії магнітного поля не закінчуються (або починаються) на полюсі магніту. Швидше, лінії магнітного поля завжди повинні утворювати замкнуті петлі. \(\PageIndex{2}\)На малюнку показані лінії магнітного поля для стрижневого магніту, підкреслюючи, що лінії поля не закінчуються на полюсах, а навпаки продовжуються через магніт (а деякі лінії лише «закриваються» зовні фігури). Магнітне поле від стрижневого магніту дуже схоже на електричне поле, створене електричним диполем (і з цієї причини ми часто використовуємо термін магнітний диполь для опису об'єктів, які створюють магнітне поле з однаковою формою).

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Лінії магнітного поля для стрижневого магніту завжди утворюють замкнуті петлі, оскільки вони не закінчуються на північному чи південному полюсі магніту.

Про те, як моделювати магнітні поля, ми обговоримо в наступному розділі, але важливо розуміти, що магнітні поля створюються рухомими електричними зарядами. Електрони в матеріалі, що утворює стрижневий магніт, - це рухомі заряди, які створюють магнітне поле. Як ми побачимо, магнітне поле від заряду, що рухається по колу (або кругової петлі струму), має точно таку ж форму, як і у стрижневого магніту, як показано на малюнку\(\PageIndex{3}\). Таким чином, ми можемо думати про заряд, що рухається по колу, як невеликий стрижневий магніт, а точніше, як магнітний диполь.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Лінії магнітного поля, вироблені круговою петлею струму, такі ж\(I\), як і ті, що виробляються стрижневим магнітом.

У магніті електрони в матеріалі рухаються таким чином, що магнітні поля, які вони генерують, знаходяться в одному напрямку. Кожен атом схожий на невеликий магнітний диполь, і всі вони вирівняні. Це дозволяє нам зрозуміти, чому різання магніту не призводить до двох монополів (рис.\(\PageIndex{1}\)): коли ми вирізаємо стрижневий магніт, ми отримуємо менше матеріалу, але кожен шматок матеріалу все ще містить магнітні диполі, які вирівняні один з одним, кожен з яких має північну та південну сторону. Зауважте, що не рух електронів навколо своїх ядер призводить до магнітного поля, і що потрібно квантова механіка і поняття «спина», щоб детально описати це все.

Більшість матеріалів реагуватимуть на магнітні поля, але поведінка найбільш очевидна у «феромагнітних» матеріалах, таких як залізо (Fe). Феромагнітні матеріали можуть намагнічуватися зовнішнім магнітним полем, ефективно перетворюючи їх в магніти. Можна думати про матеріал, що містить багато мало магнітних диполів (від руху електронів), які самі по собі схожі на барні магніти. Якщо цей матеріал є феромагнітним, зовнішнє магнітне поле може впливати на маленькі «барні магніти», орієнтуючи їх все однаково, так що матеріал в цілому стає магнітним. Для деяких феромагнітних матеріалів ця загальна орієнтація залишиться при видаленні зовнішнього магнітного поля, створюючи «постійний магніт». Для інших феромагнітних матеріалів загальна орієнтація зникає при видаленні зовнішнього поля; ці матеріали таким чином притягуються до магніту, але вони не можуть утворювати магніт.