Primjer pitanja za raspravu o magnetizmu
Magnetizam je vrlo važan i fascinantan prirodni fenomen za proučavanje u fizici. Ovaj fenomen povezan je sa silama koje se javljaju između magneta i određenih materijala. Općenito, magnetizam se može objasniti konceptima magnetskih polja, magnetskih linija sile i interakcijama između magneta i magneta s feromagnetskim, paramagnetskim i dijamagnetskim materijalima. U ovom članku raspravljat ćemo o nekoliko primjera problema i njihovim raspravama vezanim uz temu magnetizma.
Pitanje 1: Određivanje magnetskih polova
Pitanje: Štapni magnet ima dva pola, sjeverni i južni pol. Objasnite kako odrediti polove štapnog magneta pomoću kompasa.
Rasprava:
Za određivanje polova šipkastog magneta upotrijebite kompas. Evo koraka:
1. Postavite kompas blizu jednog kraja magnetske šipke.
2. Promatrajte iglu kompasa koja pokazuje sjever i jug.
3. Magnetski pol koji privlači sjeverni kraj igle kompasa je južni pol magneta, jer sjeverni pol igle kompasa (koji je zapravo južni pol magneta kompasa) privlači južni pol magneta.
4. Na isti način premjestite šestar na drugi kraj šipkastog magneta i ponovite opažanje. Kraj magneta koji privlači južni pol igle kompasa je sjeverni pol magneta, jer sjeverni pol igle kompasa privlači južni pol magneta.
Pitanje 2: Magnetsko polje oko ravne žice kojom teče struja
Pitanje: Duga ravna žica provodi električnu struju od 5 A. Odredite smjer magnetskog polja oko žice u točki udaljenoj 10 cm od žice.
Rasprava:
Magnetsko polje oko ravne žice kojom teče struja može se odrediti pomoću pravila desne ruke. Evo kako:
1. Držite žicu desnom rukom, palcem pokazujući smjer toka struje (od pozitivnog prema negativnom).
2. Smjer žbica omotanih oko žice označava smjer magnetskog polja.
Na primjer, ako je struja usmjerena prema gore (prema palcu), tada će se u točki 10 cm od žice magnetsko polje kružiti u smjeru kretanja prsta desne ruke:
– Ako se točka nalazi ispred žice, magnetsko polje usmjereno je prema unutra (prema listu papira/zaslonu).
– Ako se vrh nalazi iza žice, magnetsko polje usmjereno je prema van (od lista papira/ekrana).
Pitanje 3: Lorentzova sila na čestice koje nose struju
Pitanje: Nabijena čestica (+1.6 × 10^-19 C) koja se kreće brzinom od 2 × 10^6 m/s ulazi u magnetsko polje od 0.01 T usmjereno prema van od stranice. Odredite veličinu i smjer Lorentzove sile kojoj čestica podliježe.
Rasprava:
Lorentzova sila na nabijenu česticu u magnetskom polju može se izraziti jednadžbom \( \vec{F} = q \vec{v} \cca. t \vec{B} \).
– Naboj čestice, \(q\) = +1.6 × 10^-19 C
– Brzina čestice, \( \vec{v} \) = 2 × 10^6 m/s (pretpostavlja se da je prema x-osi)
– Magnetsko polje, \( \vec{B} \) = 0.01 T (izvan stranice, prema z-osi)
Za smjer sile:
1. Ponovno upotrijebite pravilo desne ruke za kretanje vektora brzine (\( \vec{v} \)) i magnetskog polja (\( \vec{B} \)).
2. Prsti desne ruke prate smjer brzine (x-os), savijaju prste prema vanjskoj strani papira (prema magnetskom polju z-osi), zatim palac daje smjer Lorentzove sile (y-os).
Veličina Lorentzove sile \( F \) može se izračunati kao:
F = q v B sin theta]
Budući da je \( \theta \) = 90° (brzina okomita na magnetsko polje),
F = (1.6 puta 10⁻¹⁵°C) (2 puta 10⁶ m/s) (0.01 T) sin (90°)
\[ F = 3.2 \puta 10^{-21} N \]
Smjer sile je u skladu s pregibom prsta (udesno = pozitivna y-os).
Pitanje 4: Magnetsko polje u sredini solenoida
Pitanje: Poznato je da dugi solenoid ima 500 zavoja duljine 0.5 m kroz koje teče struja od 2 A. Izračunajte magnitudu magnetskog polja u sredini solenoida.
Rasprava:
Magnetsko polje unutar dugog solenoida može se izračunati pomoću formule:
\[ B = \mu_0 n I \]
Gdje:
– \( B \): magnituda magnetskog polja unutar solenoida (Tesla)
– \( \mu_0 \): koeficijent vakuumske permeabilnosti (\(4 \pi \puta 10^{-7} \: T \cdot m/A\))
– \( n \): broj zavoja po jedinici duljine (zavoji/metar), formuliran kao \( n = \frac{N}{L} \)
– \( I \): količina struje koja teče kroz solenoid (Amperi)
Tako,
– \( N = 500 \)
– \( L = 0.5 m \)
– \( n = \frac{500}{0.5} = 1000 \: okretaja/m \)
– \( I = 2 A \)
Stoga,
B = 0 n I
B = (4 pi puta 10^{-7} T m/A) (1000 okretaja/m) 2 A]
\[ B = 8 \pi \puta 10^{-4} T \]
\[ B \približno 2.51 \puta 10^{-3} T \]
Pitanje 5: Elektromagnetska indukcija
Pitanje: Zavojnica se sastoji od 200 zavoja i nalazi se u magnetskom polju koje se mijenja od 0.1 T do 0.5 T za 0.25 s. Izračunajte inducirani napon proizveden u zavojnici.
Rasprava:
Elektromagnetska indukcija može se izračunati pomoću Faradayevog zakona:
\[ \mathcal{E} = -N \frac{\Delta \Phi_B}{\Delta t} \]
Gdje,
– \( \mathcal{E} \): inducirani napon (Volti)
– \( N \): broj okretaja
– \( \Delta \Phi_B \): promjena magnetskog toka (Wb)
– \( \Delta t \): promjena vremena (s)
S \(\Delta \Phi_B = B \cdot A \); gdje je A površina zavojnice. Međutim, ako se površina ne mijenja
\[ \mathcal{E} = -N \cdot \frac{\Delta B \cdot A}{\Delta t} \]
Budući da je \(\Delta B = 0.5 T – 0.1 T = 0.4 T \),
Maka
\[ \mathcal{E} = -200 \cdot \frac{0.4 T \cdot A}{0.25 s} \]
\[ \mathcal{E} = -320 \cdot A \]
Ako nije navedeno određeno područje (pretpostavlja se da je isto),
Vrijednost indukcije ostaje linearno ovisna o A.
Nadamo se da će vam ovi primjeri problema magnetizma pomoći da shvatite koncepte i praktične primjene magnetizma. Ovi stavovi i principi dosljedno se koriste na raznim akademskim razinama i u dubljim istraživanjima.
