Materiał o prądzie elektrycznym, ładunku elektrycznym, polu magnetycznym, sile magnetycznej
W 1819 roku duński naukowiec Hans Christian Oersted (1777–1851) odkrył związek między magnetyzmem a prądem elektrycznym , czyli ruchomymi ładunkami . Odkrył, że igła kompasu odchyla się, gdy znajduje się w pobliżu przewodu, przez który płynie prąd. Gdy nie ma prądu, igła kompasu wskazuje północ.
Igła kompasu jest magnesem, więc siła magnetyczna może ją poruszyć . Skąd bierze się siła magnetyczna (F)? W pobliżu igły kompasu znajduje się przewód, przez który płynie prąd elektryczny, więc prąd elektryczny musi wytwarzać siłę magnetyczną.
Spójrz na obrazek po prawej stronie. Użyj reguły prawej dłoni, aby określić kierunek prądu elektrycznego i kierunek pola magnetycznego. Jeśli prąd elektryczny (I) płynie w górę, kierunek pola magnetycznego (B) będzie taki jak pokazano na obrazku po lewej stronie. I odwrotnie, jeśli prąd elektryczny płynie w dół, kierunek pola magnetycznego będzie taki jak pokazano na obrazku po prawej stronie.
Pole magnetyczne wywiera siłę na przewód, w którym płynie prąd
Prąd elektryczny może wywierać siłę na igłę kompasu magnetycznego. Czy magnes również może wywierać siłę na prąd elektryczny?
Załóżmy, że między biegunami północnym i południowym magnesu znajduje się przewód, przez który płynie prąd elektryczny. Strzałka biegnąca od bieguna północnego do południowego wskazuje kierunek pola magnetycznego. Czerwona strzałka wskazuje kierunek prądu elektrycznego (I), a niebieska – kierunek siły magnetycznej (F).
Kierunek siły magnetycznej F jest prostopadły do kierunku prądu elektrycznego I i prostopadły do kierunku pola magnetycznego B. Użyj reguły prawej dłoni, aby znaleźć kierunek prądu elektrycznego, kierunek pola magnetycznego i kierunek siły magnetycznej.
Poniższe równanie przedstawia związek pomiędzy siłą magnetyczną, prądem elektrycznym i polem magnetycznym.
F = BI l sin θ
F jest symbolem siły magnetycznej, B jest symbolem pola magnetycznego, I jest symbolem prądu elektrycznego, l jest symbolem długości przewodu w polu magnetycznym.
θ to kąt między kierunkiem prądu elektrycznego a kierunkiem pola magnetycznego. Jeśli prąd elektryczny płynie prostopadle do pola magnetycznego (90 ° ), wówczas wartość sin 90 = 1, co oznacza, że wzór zmienia się na F = BI l. I odwrotnie, jeśli prąd elektryczny płynie równolegle do pola magnetycznego (0 ° ), wówczas wartość sin 0 = 0, co oznacza, że siła magnetyczna wynosi 0.
Aby obliczyć pole magnetyczne, powyższy wzór zmienia się na: B = F / I l.
Międzynarodową jednostką siły magnetycznej jest niuton (w skrócie N), a Międzynarodową Jednostką Pola Magnetycznego jest Tesla (w skrócie T). Nazwa Tesla pochodzi od nazwiska serbsko-amerykańskiego wynalazcy i fizyka Nikoli Tesli (1856–1943). Na podstawie powyższego wzoru na pole magnetyczne, pole magnetyczne można również wyrazić w niutonach na amperometr (N/A m). Oprócz Tesli, pole magnetyczne wyraża się również w gaussach (G). Nazwa Gauss pochodzi od nazwiska niemieckiego matematyka, astronoma i fizyka, Johanna Carla Friedricha Gaussa (1777–1855). 1 G = 10-4 T.
Siła magnetyczna działająca na ładunek elektryczny poruszający się w polu magnetycznym
Pole magnetyczne może wywierać siłę magnetyczną na przewód, w którym płynie prąd. Prąd elektryczny to poruszający się ładunek elektryczny, więc pole magnetyczne może również wywierać siłę magnetyczną na swobodnie poruszające się ładunki elektryczne, a nie tylko na przewód przewodzący.
Wzór na obliczenie siły magnetycznej działającej na ładunek elektryczny poruszający się w polu magnetycznym wywodzi się z poprzedniego wzoru na siłę magnetyczną F = BI l sin θ . Ponieważ I = q/t i l = vt, wzór na siłę magnetyczną zmienia się na
Opis formuły: F = siła magnetyczna, B = pole magnetyczne, q = ładunek elektryczny, v = prędkość ruchu ładunku, θ = kąt między v dan B
Jeśli v prostopadle do B wtedy = 90o , gdzie grzech 90o = 1. Z drugiej strony, jeśli v równolegle do B wtedy = 0o, gdzie grzech 0o = 0. Zatem siła magnetyczna ma maksymalną wartość, gdy v prostopadle do B a siła magnetyczna wynosi zero, gdy v równolegle do B.
Kierunek siły magnetycznej F jest prostopadły do pola magnetycznego B i prostopadły do prędkości ładunku elektrycznego v.
