Άρθρα σχετικά με το ηλεκτρικό ρεύμα, το ηλεκτρικό φορτίο, το μαγνητικό πεδίο, τη μαγνητική δύναμη
Το 1819, ένας Δανός επιστήμονας ονόματι Χανς Κρίστιαν Έρστεντ (1777-1851) ανακάλυψε τη σχέση μεταξύ μαγνητισμού και ηλεκτρικών ρευμάτων ή κινούμενων φορτίων. Διαπίστωσε ότι όταν η βελόνα της πυξίδας βρίσκεται κοντά σε ένα ηλεκτροφόρο καλώδιο, η βελόνα της πυξίδας εκτρέπεται. Όταν δεν υπάρχει ρεύμα, η βελόνα της πυξίδας δείχνει προς τον βορρά.
Η βελόνα της πυξίδας είναι μαγνήτης, επομένως μπορεί να κινηθεί από μια μαγνητική δύναμη. Από πού προέρχεται η μαγνητική δύναμη (F); Κοντά στη βελόνα της πυξίδας, υπάρχει ένα σύρμα που μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα, επομένως η μαγνητική δύναμη πρέπει να ασκείται από το ηλεκτρικό ρεύμα.
Κοιτάξτε την εικόνα στο πλάι. Η κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος και η κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου μπορούν να βρεθούν χρησιμοποιώντας τον κανόνα του δεξιού χεριού. Εάν το ηλεκτρικό ρεύμα (I) κινείται προς τα πάνω, η κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου (B) είναι όπως φαίνεται στα αριστερά. Εάν η κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος είναι προς τα κάτω, η κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου είναι όπως φαίνεται στα δεξιά.
Το μαγνητικό πεδίο ασκεί δύναμη στο σύρμα που μεταφέρει ρεύμα
Προηγουμένως, είχε εξηγηθεί ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να ασκήσει δύναμη στη βελόνα μιας μαγνητικής πυξίδας. Μπορεί ένας μαγνήτης να ασκήσει επίσης δύναμη σε ένα ηλεκτρικό ρεύμα;
Ας υποθέσουμε ότι υπάρχει ένα καλώδιο που μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα τοποθετημένο μεταξύ του βόρειου και του νότιου πόλου ενός μαγνήτη. Η κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου υποδεικνύεται από ένα βέλος από τον βόρειο πόλο προς τον Νότιο Πόλο. Εάν η κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος (I) υποδεικνύεται από ένα κόκκινο βέλος, τότε εμφανίζεται μια μαγνητική δύναμη (F) της οποίας η κατεύθυνση αναπαρίσταται από ένα μπλε βέλος.
Η κατεύθυνση της μαγνητικής δύναμης F είναι κάθετη στην κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος I και κάθετη στην κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου B.
Η κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος, η κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου και η κατεύθυνση της μαγνητικής δύναμης μπορούν να προσδιοριστούν χρησιμοποιώντας τον κανόνα του δεξιού χεριού.
Η σχέση μεταξύ μαγνητικής δύναμης, ηλεκτρικού ρεύματος και μαγνητικού πεδίου εκφράζεται από την ακόλουθη εξίσωση.
F = BI l sin θ
Το F είναι σύμβολο μαγνητικής δύναμης, το B είναι σύμβολο μαγνητικού πεδίου, το I είναι σύμβολο ηλεκτρικού ρεύματος και το l είναι σύμβολο του μήκους ενός σύρματος που βρίσκεται σε μαγνητικό πεδίο.
θ είναι η γωνία μεταξύ της κατεύθυνσης του ηλεκτρικού ρεύματος και της κατεύθυνσης του μαγνητικού πεδίου. Εάν το ηλεκτρικό ρεύμα είναι κάθετο στο μαγνητικό πεδίο (90o), τότε η τιμή του sin 90 = 1. Ο τύπος αλλάζει σε F = BI l, αντίστροφα, εάν το ηλεκτρικό ρεύμα είναι παράλληλο στο μαγνητικό πεδίο (0o), τότε η τιμή του sin 0 = 0, έτσι ώστε η μαγνητική δύναμη να είναι 0.
Για τον υπολογισμό του μαγνητικού πεδίου, ο παραπάνω τύπος αλλάζει σε: B = F / I l.
Η διεθνής μονάδα για τη μαγνητική δύναμη είναι το Νιούτον (συντομογραφία N), η διεθνής μονάδα για το μαγνητικό πεδίο είναι το Τέσλα (συντομογραφία T). Το Τέσλα πήρε το όνομά του από τον Σερβοαμερικανό εφευρέτη και φυσικό Νίκολα Τέσλα (1856-1943). Με βάση τον παραπάνω τύπο μαγνητικού πεδίου, το μαγνητικό πεδίο μπορεί επίσης να εκφραστεί σε μονάδες Νιούτον ανά Αμπερμέτρο (N/A m). Εκτός από το Τέσλα, το μαγνητικό πεδίο εκφράζεται επίσης σε μονάδες Γκάους (G). Το Γκάους προέρχεται από το όνομα του Γερμανού μαθηματικού, αστρονόμου και φυσικού Γιόχαν Καρλ Φρίντριχ Γκάους (1777-1855). 1G = 10-4T
Η μαγνητική δύναμη που ασκείται σε ηλεκτρικά φορτία που κινούνται σε μαγνητικό πεδίο
Ένα μαγνητικό πεδίο μπορεί να ασκήσει μαγνητική δύναμη σε ένα σύρμα που μεταφέρει ρεύμα. Τα ηλεκτρικά ρεύματα είναι ηλεκτρικά φορτία σε κίνηση, επομένως ένα μαγνητικό πεδίο μπορεί επίσης να ασκήσει μαγνητική δύναμη σε ελεύθερα κινούμενα ηλεκτρικά φορτία, όχι μόνο σε αγώγιμα σύρματα.
Ο τύπος για τον υπολογισμό της μαγνητικής δύναμης σε ηλεκτρικά φορτία που κινούνται σε μαγνητικό πεδίο προέρχεται από τον προηγούμενο τύπο μαγνητικής δύναμης F = BI l sin θ. Επειδή I = q/t και l = vt, ο τύπος μαγνητικής δύναμης αλλάζει σε,
Περιγραφή του τύπου: F = μαγνητική δύναμη, B = μαγνητικό πεδίο, q = ηλεκτρικό φορτίο, v = ταχύτητα κίνησης του φορτίου, θ = γωνία μεταξύ v και B
Αν το v είναι κάθετο στο B τότε θ = 90 ° , όπου sin 90 ° = 1. Αντίστροφα, αν το v είναι παράλληλο στο B τότε θ = 0 ° , όπου sin 0 ° = 0. Έτσι, η μαγνητική δύναμη είναι μέγιστη όταν το v είναι κάθετο στο B και η μαγνητική δύναμη είναι μηδέν όταν το v είναι παράλληλο στο B.
Η κατεύθυνση της μαγνητικής δύναμης F είναι κάθετη στο μαγνητικό πεδίο Β και κάθετη στην ταχύτητα του ηλεκτρικού φορτίου v.
