Magnētisma diskusiju jautājumu piemērs
Magnētisms ir ļoti svarīga un aizraujoša dabas parādība, ko pētīt fizikā. Šī parādība ir saistīta ar spēkiem, kas rodas starp magnētiem un noteiktiem materiāliem. Kopumā magnētismu var izskaidrot ar magnētisko lauku, magnētisko spēka līniju un magnētu un magnētu mijiedarbības ar feromagnētiskiem, paramagnētiskiem un diamagnētiskiem materiāliem jēdzieniem. Šajā rakstā mēs apspriedīsim vairākus piemērus problēmām un to apspriešanu, kas saistīta ar magnētisma tēmu.
1. jautājums: Magnētisko polu identificēšana
Jautājums: Stieņa magnētam ir divi poli — ziemeļpols un dienvidpols. Paskaidrojiet, kā noteikt stieņa magnēta polus, izmantojot kompasu.
Diskusija:
Lai noteiktu stieņa magnēta polus, izmantojiet kompasu. Tālāk ir norādītas darbības.
1. Novietojiet kompasu magnēta stieņa viena gala tuvumā.
2. Vērojiet kompasa adatu, kas rāda ziemeļus un dienvidus.
3. Magnētiskais pols, kas pievelk kompasa adatas ziemeļu galu, ir magnēta dienvidpols, jo kompasa adatas ziemeļpolu (kas patiesībā ir kompasa magnēta dienvidpols) pievelk magnēta dienvidpols.
4. Tādā pašā veidā pārvietojiet kompasu uz stieņa magnēta otru galu un atkārtojiet novērojumu. Magnēta gals, kas pievelk kompasa adatas dienvidpolu, ir magnēta ziemeļpols, jo kompasa adatas ziemeļpols ir pievilkts magnēta dienvidpolam.
2. jautājums: Magnētiskais lauks ap taisnu strāvu vadošu vadu
Jautājums: Pa garu, taisnu vadu plūst 5 A stipra elektriskā strāva. Nosakiet magnētiskā lauka virzienu ap vadu punktā, kas atrodas 10 cm attālumā no vada.
Diskusija:
Magnētisko lauku ap taisnu vadu, pa kuru plūst strāva, var noteikt, izmantojot labās rokas likumu. Lūk, kā:
1. Turiet vadu ar labo roku, ar īkšķi norādot strāvas plūsmas virzienu (no pozitīvas uz negatīvu).
2. Ap vadu aptītajiem spieķiem norādītais virziens norāda magnētiskā lauka virzienu.
Piemēram, ja strāva ir vērsta uz augšu (saskaņā ar īkšķi), tad punktā 10 cm attālumā no stieples magnētiskais lauks riņķos labās rokas pirksta kustības virzienā:
– Ja punkts atrodas vada priekšā, magnētiskais lauks ir vērsts uz iekšu (papīra lapas/ekrāna virzienā).
– Ja punkts atrodas aiz vada, magnētiskais lauks ir vērsts uz āru (no papīra lapas/ekrāna).
3. jautājums: Lorenca spēka iedarbība uz strāvu pārnesošām daļiņām
Jautājums: Uzlādēta daļiņa (+1.6 × 10^-19 C), kas pārvietojas ar ātrumu 2 × 10^6 m/s, nonāk 0.01 T magnētiskajā laukā, kas vērsts no lapas uz āru. Nosakiet Lorenca spēka lielumu un virzienu, uz kuru iedarbojas daļiņa.
Diskusija:
Lorenca spēku, kas iedarbojas uz lādētu daļiņu magnētiskajā laukā, var izteikt ar vienādojumu \( \vec{F} = q \vec{v} \times \vec{B} \).
– Daļiņu lādiņš, \(q\) = +1.6 × 10^-19 C
– Daļiņu ātrums, \( \vec{v} \) = 2 × 10^6 m/s (pieņemot, ka tas ir vērsts x ass virzienā)
– Magnētiskais lauks, \( \vec{B} \) = 0.01 T (ārpus lapas, z ass virzienā)
Spēka virzienam:
1. Vēlreiz izmantojiet labās rokas likumu, lai šķērsotu ātruma vektoru (\( \vec{v} \)) un magnētisko lauku (\( \vec{B} \)).
2. Labās rokas pirksti seko ātruma virzienam (x ass), noloka pirkstus uz papīra ārpusi (atbilstoši z ass magnētiskajam laukam), pēc tam īkšķis nodrošina Lorenca spēka virzienu (y ass).
Lorenca spēka \(F \) lielumu var aprēķināt šādi:
\[F = q \cdot v \cdot B \cdot sin \theta \]
Tā kā \( \heta \) = 90° (ātrums perpendikulāri magnētiskajam laukam),
\[F = (1.6 x 10^{-19} C) \cdot (2 x 10^6 m/s) \cdot (0.01 T) \sin (90°) \]
\[F = 3.2 x 10^{-21} N \]
Spēka virziens ir saskaņā ar pirksta locījuma virzienu (pa labi = pozitīva y ass).
4. jautājums: Magnētiskais lauks solenoīda vidū
Jautājums: Ir zināms, ka garam solenoīdam ir 500 vijumi ar garumu 0.5 m, pa kuru plūst 2 A strāva. Aprēķiniet magnētiskā lauka lielumu solenoīda vidū.
Diskusija:
Magnētisko lauku garā solenoīda iekšpusē var aprēķināt, izmantojot formulu:
\[B = \mu_0 n I \]
Kur:
– \(B \): magnētiskā lauka stiprums solenoīda iekšpusē (Tesla)
– \( \mu_0 \): vakuuma caurlaidības koeficients (\(4 \pi \reiz 10^{-7} \: T \cdot m/A\))
– \(n \): vijumu skaits garuma vienībā (vijumu skaits/metrā), formulēts kā \(n = \frac{N}{L} \)
– \(I \): caur solenoīdu plūstošās strāvas stiprums (ampēros)
Tātad,
– \(N = 500 \)
– \(G = 0.5 m \)
– \(n = \frac{500}{0.5} = 1000 \: apgriezieni/m \)
– (I = 2 A)
Tādējādi
\[B = \mu_0 \cdot n \cdot I \]
\[B = (4 \pi \reiz 10^{-7} T \cdot m/A) \cdot (1000 \: pagriezieni/m) \cdot 2 A \]
\[B = 8 \pi reizināts ar 10^{-4} T]
\[B \aptuveni 2.51 \reiz 10^{-3} T \]
5. jautājums: Elektromagnētiskā indukcija
Jautājums: Spole sastāv no 200 vijumiem un ir ievietota magnētiskajā laukā, kas mainās no 0.1 T līdz 0.5 T 0.25 s laikā. Aprēķiniet spolē radīto inducēto spriegumu.
Diskusija:
Elektromagnētisko indukciju var aprēķināt, izmantojot Faraday likumu:
\[ \mathcal{E} = -N \frac{\Delta \Phi_B}{\Delta t} \]
Kur,
– \( \mathcal{E} \): inducētais spriegums (voltos)
– \(N \): apgriezienu skaits
– \( \Delta \Phi_B \): magnētiskās plūsmas izmaiņas (Wb)
– \( \Delta t \): laika izmaiņa (s)
Ar \(\Delta \Phi_B = B \cdot A \); kur A ir spoles laukums. Tomēr, ja laukums nemainās
\[ \mathcal{E} = -N \cdot \frac{\Delta B \cdot A}{\Delta t} \]
Tā kā (Delta B = 0.5 T – 0.1 T = 0.4 T),
milti
\[ \mathcal{E} = -200 \cdot \frac{0.4 T \cdot A}{0.25 s} \]
\[ \mathcal{E} = -320 \cdot A \]
Ja nav norādīta konkrēta teritorija (pieņemot, ka tā ir tā pati),
indukcijas vērtība paliek lineāri atkarīga no A.
Cerams, ka šie magnētisma problēmu piemēri palīdzēs jums izprast magnētisma koncepcijas un praktisko pielietojumu. Šie uzskati un principi tiek konsekventi izmantoti dažādos akadēmiskos līmeņos un padziļinātos pētījumos.
