Makala kuhusu Nguvu ya sumaku ya uwanja wa sumaku ya umeme wa chaji ya mkondo wa umeme
Mnamo 1819, mwanasayansi wa Denmark anayeitwa Hans Christian Oersted (1777-1851) aligundua uhusiano kati ya sumaku na mikondo ya umeme au chaji zinazosonga. Aligundua kwamba sindano ya dira inapokuwa karibu na waya hai, sindano ya dira hugeuzwa. Wakati hakuna mkondo, sindano ya dira huelekeza kaskazini.
Sindano ya dira ni sumaku, kwa hivyo inaweza kuhamishwa na nguvu ya sumaku. Nguvu ya sumaku (F) inatoka wapi? Karibu na sindano ya dira, kuna waya unaobeba mkondo wa umeme ili nguvu ya sumaku lazima itumike na mkondo wa umeme.
Tazama picha iliyo pembeni. Mwelekeo wa mkondo wa umeme na mwelekeo wa uga wa sumaku unaweza kupatikana kwa kutumia sheria ya mkono wa kulia. Ikiwa mkondo wa umeme (I) unasonga juu, mwelekeo wa uga wa sumaku (B) ni kama unavyoonyeshwa upande wa kushoto. Ikiwa mwelekeo wa mkondo wa umeme uko chini, mwelekeo wa uga wa sumaku ni kama unavyoonyeshwa upande wa kulia.
Sehemu ya sumaku hutoa nguvu kwenye waya wa kubeba mkondo
Hapo awali, ilielezwa kwamba mkondo wa umeme unaweza kutoa nguvu kwenye sindano ya dira ya sumaku. Je, sumaku inaweza pia kutoa nguvu kwenye mkondo wa umeme?
Tuseme kuna waya unaobeba mkondo wa umeme uliowekwa kati ya nguzo za kaskazini na kusini za sumaku. Mwelekeo wa uwanja wa sumaku unaonyeshwa na mshale kutoka nguzo ya kaskazini hadi Ncha ya Kusini. Ikiwa mwelekeo wa mkondo wa umeme (I) unaonyeshwa na mshale mwekundu, basi nguvu ya sumaku (F) inaonekana ambayo mwelekeo wake unawakilishwa na mshale wa bluu.
Mwelekeo wa nguvu ya sumaku F ni sawa na mwelekeo wa mkondo wa umeme I na sawa na mwelekeo wa uwanja wa sumaku B.
Mwelekeo wa mkondo wa umeme, mwelekeo wa uwanja wa sumaku na mwelekeo wa nguvu ya sumaku unaweza kuamuliwa kwa kutumia sheria ya mkono wa kulia.
Uhusiano kati ya nguvu ya sumaku, mkondo wa umeme na uwanja wa sumaku unaonyeshwa na mlinganyo ufuatao.
F = BI l sin θ
F ni ishara ya nguvu ya sumaku, B ni ishara ya uwanja wa sumaku, I ni ishara ya mkondo wa umeme, l ni ishara ya urefu wa waya ulio kwenye uwanja wa sumaku.
θ ni pembe kati ya mwelekeo wa mkondo wa umeme na mwelekeo wa uwanja wa sumaku. Ikiwa mkondo wa umeme ni sawa na uwanja wa sumaku (90o) basi thamani ya sin 90 = 1. Fomula hubadilika kuwa F = BI l, kinyume chake ikiwa mkondo wa umeme ni sambamba na uwanja wa sumaku (0o) basi thamani ya sin 0 = 0 ili nguvu ya sumaku iwe 0.
Ili kuhesabu uwanja wa sumaku, fomula hapo juu hubadilishwa kuwa: B = F / Il.
Kitengo cha kimataifa cha nguvu ya sumaku ni Newton (kifupi N), kitengo cha kimataifa cha uwanja wa sumaku ni Tesla (kifupi T). Tesla imepewa jina la mvumbuzi na mwanafizikia wa Serbia-Amerika, Nikola Tesla (1856-1943). Kulingana na fomula ya uwanja wa sumaku hapo juu, uwanja wa sumaku unaweza pia kuonyeshwa katika vitengo vya Newton kwa kila mita ya Ampere (N/A m). Mbali na Tesla, uwanja wa sumaku pia huonyeshwa katika vitengo vya Gauss (G). Gauss linatokana na jina la mwanahisabati, mwanaastronomia na mwanafizikia wa Ujerumani, Johann Carl Friedrich Gauss (1777-1855). 1G = 10-4T
Nguvu ya sumaku kwenye chaji za umeme zinazosonga kwenye uwanja wa sumaku
Sehemu ya sumaku inaweza kutoa nguvu ya sumaku kwenye waya unaobeba mkondo. Mikondo ya umeme ni chaji za umeme zinazoendelea, kwa hivyo sehemu ya sumaku inaweza pia kutoa nguvu ya sumaku kwenye chaji za umeme zinazosonga kwa uhuru, si tu kwenye nyaya zinazopitisha umeme.
Fomula ya kukokotoa nguvu ya sumaku kwenye chaji za umeme zinazosogea katika uwanja wa sumaku inatokana na fomula ya awali ya nguvu ya sumaku F = BI l sin θ. Kwa sababu I = q/t na l = vt, fomula ya nguvu ya sumaku hubadilika kuwa,
Maelezo ya fomula: F = nguvu ya sumaku, B = uwanja wa sumaku, q = chaji ya umeme, v = kasi ya mwendo wa chaji, θ = pembe kati ya v na B
Ikiwa v ni mkabala na B basi θ = 90 o , ambapo sin 90 o = 1. Kinyume chake, ikiwa v ni sambamba na B basi θ = 0 o , ambapo sin 0 o = 0. Kwa hivyo, nguvu ya sumaku ni ya juu zaidi wakati v ni mkabala na B na nguvu ya sumaku ni sifuri wakati v ni sambamba na B.
Mwelekeo wa nguvu ya sumaku F ni sawa na uwanja wa sumaku B na sawa na kasi ya chaji ya umeme v.
