جریان الکتریکی، بار الکتریکی، میدان مغناطیسی، نیروی مغناطیسی

مطالبی در مورد جریان الکتریکی، بار الکتریکی، میدان مغناطیسی، نیروی مغناطیسی

در سال ۱۸۱۹، یک دانشمند دانمارکی به نام هانس کریستین اورستد (۱۷۷۷-۱۸۵۱) رابطه بین مغناطیس و الکتریسیته را کشف کرد. جریان الکتریکی یا محموله او کشف کرد که وقتی عقربه قطب‌نما نزدیک سیم حامل جریان الکتریکی قرار می‌گیرد، عقربه منحرف می‌شود. وقتی جریان الکتریکی وجود ندارد، عقربه قطب‌نما به سمت شمال قرار می‌گیرد.

سوزن قطب نما یک آهنربا است، بنابراین نیروی مغناطیسی می‌تواند آن را حرکت دهدنیروی مغناطیسی (F) از کجا می‌آید؟ نزدیک عقربه قطب‌نما سیمی وجود دارد که جریان الکتریکی را منتقل می‌کند، بنابراین جریان الکتریکی باید نیروی مغناطیسی تولید کند.

به تصویر سمت راست نگاه کنید. از قانون دست راست برای تعیین جهت جریان الکتریکی و جهت میدان مغناطیسی استفاده کنید. اگر جریان الکتریکی (I) به سمت بالا حرکت کند، جهت میدان مغناطیسی (B) مطابق تصویر سمت چپ خواهد بود. برعکس، اگر جریان الکتریکی به سمت پایین حرکت کند، جهت میدان مغناطیسی مطابق تصویر سمت راست خواهد بود.

میدان مغناطیسی به سیم حامل جریان نیرو وارد می‌کند

جریان الکتریکی می‌تواند به عقربه قطب‌نمای مغناطیسی نیرو وارد کند. آیا آهنربا نیز می‌تواند به جریان الکتریکی نیرو وارد کند؟

فرض کنید سیمی حامل جریان الکتریکی بین قطب‌های شمال و جنوب یک آهنربا وجود دارد. فلشی که از قطب شمال به قطب جنوب کشیده شده است، جهت میدان مغناطیسی را نشان می‌دهد. فلش قرمز جهت جریان الکتریکی (I) و فلش آبی جهت نیروی مغناطیسی (F) را نشان می‌دهد.

جهت نیروی مغناطیسی F عمود بر جهت جریان الکتریکی I و عمود بر جهت میدان مغناطیسی B است. با استفاده از قانون دست راست، جهت جریان الکتریکی، جهت میدان مغناطیسی و جهت نیروی مغناطیسی را پیدا کنید.

معادله زیر رابطه بین نیروی مغناطیسی، جریان الکتریکی و میدان مغناطیسی را بیان می‌کند.

F = BI l sin θ

F نماد نیروی مغناطیسی، B نماد میدان مغناطیسی، I نماد جریان الکتریکی و l نماد طول سیم در میدان مغناطیسی است.

θ زاویه بین جهت جریان الکتریکی و جهت میدان مغناطیسی است. اگر جریان الکتریکی عمود بر میدان مغناطیسی باشد (90^o) آنگاه مقدار sin 90 = 1 است، بنابراین فرمول به صورت زیر تغییر می‌کند F = BI lاز سوی دیگر، اگر جریان الکتریکی موازی با میدان مغناطیسی باشد (0^o) آنگاه مقدار sin 0 = 0 است، بنابراین نیروی مغناطیسی مقداری دارد 0.

برای محاسبه میدان مغناطیسی، فرمول بالا به صورت زیر تغییر می‌کند: ب = ف / ل.

واحد بین‌المللی نیروی مغناطیسی، نیوتن (به اختصار N) و واحد بین‌المللی میدان مغناطیسی، تسلا (به اختصار T) است. تسلا به نام نیکولا تسلا (1856-1943)، مخترع و فیزیکدان صرب-آمریکایی، نامگذاری شده است. بر اساس فرمول میدان مغناطیسی فوق، میدان‌های مغناطیسی را می‌توان بر حسب نیوتن بر آمپر متر (N/A m) نیز بیان کرد. علاوه بر تسلا، میدان‌های مغناطیسی با واحد گاوس (G) نیز بیان می‌شوند. گاوس به نام ریاضیدان، ستاره‌شناس و فیزیکدان آلمانی نامگذاری شده است. یوهان کارل فریدریش گاوس (۱۷۷۷-۱۸۵۵). ۱ گرم = ۱۰^-4 T.

نیروی مغناطیسی وارد بر بار الکتریکی متحرک در میدان مغناطیسی

یک میدان مغناطیسی می‌تواند نیروی مغناطیسی بر سیم حامل جریان وارد کند. جریان الکتریکی یک بار الکتریکی متحرک است، بنابراین یک میدان مغناطیسی می‌تواند نیروی مغناطیسی را نه فقط بر سیم رسانا، بلکه بر بارهای الکتریکی متحرک آزاد نیز اعمال کند.

فرمول محاسبه نیروی مغناطیسی وارد بر بار الکتریکی که در یک میدان مغناطیسی حرکت می‌کند، از فرمول نیروی مغناطیسی قبلی مشتق شده است. F = BI l sin θ. از آنجا که I = q/t و l = vt است، فرمول نیروی مغناطیسی به صورت زیر تغییر می‌کند:

شرح فرمول: F = نیروی مغناطیسی، B = میدان مغناطیسی، q = بار الکتریکی، v = سرعت حرکت بار، θ = زاویه بین v دان B

جیکا v عمود بر B ماكا θ = 90^o ، که در آن گناه 90 است^o = ۱. از سوی دیگر، اگر v موازی با B ماكا θ = 0^o، که در آن گناه 0 است^o = 0. بنابراین نیروی مغناطیسی وقتی حداکثر مقدار را دارد که v عمود بر B و نیروی مغناطیسی صفر است وقتی که v موازی با B.

جهت نیروی مغناطیسی F عمود بر میدان مغناطیسی B و عمود بر سرعت بار الکتریکی v.