Η Επιστήμη Γραμμών Μαγνητικού Πεδίου

ΕΝΑ μαγνητικό πεδίο περιβάλλει κάθε ηλεκτρικό φορτίο σε κίνηση. Το μαγνητικό πεδίο είναι συνεχές και αόρατο, αλλά η δύναμη και ο προσανατολισμός του μπορεί να αντιπροσωπεύονται από γραμμές μαγνητικού πεδίου. Στην ιδανική περίπτωση, γραμμές μαγνητικού πεδίου ή γραμμές μαγνητικής ροής δείχνουν τη δύναμη και τον προσανατολισμό ενός μαγνητικού πεδίου. Η αναπαράσταση είναι χρήσιμη επειδή δίνει στους ανθρώπους έναν τρόπο να δουν μια αόρατη δύναμη και επειδή οι μαθηματικοί νόμοι της φυσικής προσαρμόζουν εύκολα τον "αριθμό" ή την πυκνότητα των γραμμών πεδίου.

Ένα μαγνητικό πεδίο είναι α διάνυσμα, που σημαίνει ότι έχει μέγεθος και κατεύθυνση. Αν ηλεκτρικό ρεύμα ροή σε ευθεία γραμμή, ο κανόνας του δεξιού χεριού δείχνει την κατεύθυνση των αόρατων γραμμών μαγνητικού πεδίου που ρέουν γύρω από ένα σύρμα. Εάν φανταστείτε ότι σύρετε το σύρμα με το δεξί σας χέρι με τον αντίχειρα να δείχνει προς την κατεύθυνση του ρεύματος, το μαγνητικό πεδίο κινείται προς την κατεύθυνση των δακτύλων γύρω από το σύρμα. Αλλά τι γίνεται αν δεν γνωρίζετε την κατεύθυνση του ρεύματος ή απλά θέλετε να απεικονίσετε ένα μαγνητικό πεδίο;

Όπως και ο αέρας, ένα μαγνητικό πεδίο είναι αόρατο. Μπορείτε να δείτε τον άνεμο έμμεσα, ρίχνοντας μικρά κομμάτια χαρτιού στον αέρα. Ομοίως, η τοποθέτηση μπιτ μαγνητικού υλικού σε ένα μαγνητικό πεδίο σας επιτρέπει να εντοπίσετε τη διαδρομή του. Οι εύκολες μέθοδοι περιλαμβάνουν:

Χρησιμοποιήστε μια πυξίδα

Κουνώντας ένα πυξίδα γύρω από ένα μαγνητικό πεδίο δείχνει την κατεύθυνση των γραμμών πεδίου. Για να χαρτογραφηθεί πραγματικά το μαγνητικό πεδίο, η τοποθέτηση πολλών πυξίδων δείχνει την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου σε οποιοδήποτε σημείο. Για να σχεδιάσετε γραμμές μαγνητικού πεδίου, συνδέστε τις "κουκκίδες" της πυξίδας. Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι δείχνει την κατεύθυνση των γραμμών μαγνητικού πεδίου. Το μειονέκτημα είναι ότι δεν δείχνει τη δύναμη του μαγνητικού πεδίου.

Χρησιμοποιήστε τις σκάλες σιδήρου ή την άμμο μαγνητίτη

Σίδερο είναι σιδηρομαγνητική. Αυτό σημαίνει ότι ευθυγραμμίζεται με γραμμές μαγνητικού πεδίου, σχηματίζοντας μικροσκοπικούς μαγνήτες με βόρειους και νότιους πόλους. Τα μικροσκοπικά κομμάτια σιδήρου, όπως οι ρινίσματα σιδήρου, ευθυγραμμίζονται για να σχηματίσουν έναν λεπτομερή χάρτη των γραμμών πεδίου, επειδή ο βόρειος πόλος ενός κομματιού προσανατολίζει να αποκρούσει τον βόρειο πόλο ενός άλλου κομματιού και να προσελκύσει τον νότιο πόλο του. Αλλά, δεν μπορείτε να πασπαλίζετε μόνο τις ρινίσματα σε έναν μαγνήτη επειδή είναι ελκυσμένοι σε αυτό και θα κολλήσουν σε αυτό αντί να ανιχνεύσουν το μαγνητικό πεδίο.

Για την επίλυση αυτού του προβλήματος, οι ρινίσματα σιδήρου ψεκάζονται σε χαρτί ή πλαστικό πάνω σε ένα μαγνητικό πεδίο. Μία τεχνική που χρησιμοποιείται για να διασκορπίσει τις ρινίσματα είναι να τους πασπαλίζει επάνω στην επιφάνεια από ένα ύψος μερικών ίντσες. Μπορούν να προστεθούν περισσότερα αρχεία για να καταστούν οι γραμμές πεδίου πιο ξεκάθαρες, αλλά μόνο μέχρι ένα σημείο.

Εναλλακτικές λύσεις για τις φιάλες σιδήρου περιλαμβάνουν σφαιρίδια από χάλυβα BB, καλουπωμένες σιδερένιες φιάλες (που δεν θα σκουριάζουν), μικρούς συνδετήρες, συρραπτικά ή άμμου μαγνητίτη. Το πλεονέκτημα στη χρήση σωματιδίων σιδήρου, χάλυβα ή μαγνητίτη είναι ότι τα σωματίδια σχηματίζουν ένα λεπτομερή χάρτη γραμμών μαγνητικού πεδίου. Ο χάρτης δίνει επίσης μια γενική ένδειξη της έντασης του μαγνητικού πεδίου. Έχουν τοποθετηθεί στενά διαχωρισμένες, πυκνές γραμμές όπου το πεδίο είναι ισχυρότερο, ενώ ευδιάκριτες, αραιές γραμμές δείχνουν πού είναι ασθενέστερη. Το μειονέκτημα της χρήσης πλινθωμάτων σιδήρου είναι ότι δεν υπάρχει ένδειξη προσανατολισμού μαγνητικού πεδίου. Ο ευκολότερος τρόπος για να ξεπεραστεί αυτό είναι να χρησιμοποιήσετε μια πυξίδα μαζί με τις φιάλες σιδήρου για να χαρτογραφήσετε τον προσανατολισμό και την κατεύθυνση.

Δοκιμάστε μαγνητική ταινία προβολής

Η μαγνητική ταινία προβολής είναι εύκαμπτη πλαστική ύλη που περιέχουν φυσαλίδες ρευστού που φέρουν μικροσκοπικές μαγνητικές ράβδους. Οι ταινίες εμφανίζονται πιο σκούρες ή ελαφρύτερες ανάλογα με τον προσανατολισμό των ράβδων σε ένα μαγνητικό πεδίο. Η μαγνητική ταινία προβολής λειτουργεί καλύτερα χαρτογραφώντας πολύπλοκη μαγνητική γεωμετρία, όπως αυτή που παράγεται από ένα επίπεδο μαγνήτη ψυγείου.

Γραμμές μαγνητικού πεδίου εμφανίζονται επίσης στη φύση. Κατά τη διάρκεια ενός ηλιακή έκλειψη, οι γραμμές στην κορώνα ανιχνεύουν το μαγνητικό πεδίο του Ήλιου. Πίσω στη Γη, το γραμμές σε μια αυλή υποδείξτε τη διαδρομή του μαγνητικού πεδίου του πλανήτη. Και στις δύο περιπτώσεις, οι ορατές γραμμές είναι λαμπερά ρεύματα φορτισμένων σωματιδίων.

Χρησιμοποιώντας γραμμές μαγνητικού πεδίου για την κατασκευή ενός χάρτη, μερικοί κανόνες γίνονται εμφανείς:

1. Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου δεν διασχίζουν ποτέ.
2. Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου είναι συνεχείς. Αποτελούν κλειστούς βρόχους που συνεχίζουν σε όλο το μήκος ενός μαγνητικού υλικού.
3. Γραμμές μαγνητικού πεδίου συσσωρεύονται μαζί όπου το μαγνητικό πεδίο είναι ισχυρότερο. Με άλλα λόγια, η πυκνότητα των γραμμών πεδίου δηλώνει τη δύναμη του μαγνητικού πεδίου. Εάν οι γραμμές πεδίου γύρω από ένα μαγνήτη χαρτογραφηθούν, το ισχυρότερο μαγνητικό πεδίο είναι σε κάθε πόλο.
4. Εκτός εάν το μαγνητικό πεδίο χαρτογραφηθεί με τη χρήση μιας πυξίδας, η κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου μπορεί να είναι άγνωστη. Κατά σύμβαση, η κατεύθυνση υποδεικνύεται με το σχηματισμό βέλη πάνω από τις γραμμές μαγνητικού πεδίου. Σε κάθε μαγνητικό πεδίο, οι γραμμές συνεχίζουν να ρέουν από το βόρειο πόλο στον νότιο πόλο. Τα ονόματα "βόρεια" και "νότια" είναι ιστορικά και δεν επηρεάζουν τον γεωγραφικό προσανατολισμό του μαγνητικού πεδίου

• Durney, Carl Η. και Curtis C. Johnson (1969). Εισαγωγή στη Σύγχρονη Ηλεκτρομαγνητική. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-018388-9.
• Griffiths, David J. (2017). Εισαγωγή στην Ηλεκτροδυναμική (4η έκδοση). Cambridge University Press. ISBN 9781108357142.
• Νέον, Χένρι Μαύρο και Χάρβι Ν. Ντέιβις (1913). Πρακτική Φυσική. Η MacMillan Co., USA.
• Tipler, Paul (2004). Φυσική για επιστήμονες και μηχανικούς: Ηλεκτρισμός, Μαγνητισμός, Φως και Στοιχειώδης Σύγχρονη Φυσική (5η έκδοση). W. Η. Freeman. ISBN 978-0-7167-0810-0.