磁場

ソース: 龍 p. 陳博士は、物理学科 & 天文学、科学の大学、パーデュー大学、ウェスト ラファイエット, インディアナ

磁場は、動いている電荷、電流などによって生成できます。電流によって生じる磁場は、マクスウェルの方程式から計算できます。さらに、棒磁石など磁気オブジェクトも料金材料内部の微視的運動によって磁場を生成できます。磁場は、他の移動料金または磁界に比例した力が、磁気オブジェクトに磁気力が発揮されます。磁気フィールドは電磁気学の基本、コンパスから磁気共鳴イメージ投射に至るまで多くの実用的なアプリケーションの根底にあります。

この実験は磁石と電流、磁場に沿った小さなコンパスの針の永久磁石を用いたバー永久磁界を示します。この実験はまた別の通電ワイヤの電流の磁界によって加えられた力を示します。

(電流) などの料金や「永久磁石」を移動することによって磁気フィールド ("B フィールド"とも呼ばれます) を作り出すことができる (共通などバー磁石) (鉄) などの磁性材料で作られました。ローカル magnetic field の方向をベクトル フィールド行をトレース、次 1 つ場合 (タンジェント反映ローカル磁界方向と線の密度が局所磁場の強さを反映する) これらの行は、「磁力線」と呼ばれます。分布と磁場の方向を視覚化に役立つ架空の線です。

たとえば、長いストレート ワイヤ、電気現在私を運ぶ周辺の空間内に磁界が生成されます: 磁場の大きさは、現在の私に比例して、線からの距離 r に反比例します。(「磁力線」で表される) 磁場方向は (いわゆる「右手の法則」親指の指すと、電流と磁場の方向の周りカーリング指に沿ってによって決まります) ワイヤーのまわり円の接線方向に沿って描かれている図 1 aで。また、コイルの電流に比例してほとんど制服 (も電流と磁界に沿ってポイントしている親指の周りカーリングの指で右手の法則により決定する) ソレノイド内部長い軸が広がっていると外 (ソレノイドのもう一方の端には磁力線が戻ります) の電磁崩壊、磁場が生成されます (現在のループまたはコイルの多くのターン製) ソレノイド、図 1 bに示されています。バーによって生成された磁場パターン磁石は磁石の北極に出入り、磁石の南極図 1 cに示すように磁力線と、ソレノイドによって類似しています。

図 1:磁界のパターン (磁力線によって視覚化される) 直線電流 (、)、(b)、ソレノイド、バーによって生成されたを示す図磁石 (c)。

磁界 (B) は、他の磁気オブジェクト、移動料金いただきます。小さなバー局所磁場に一直線に並びがちである磁界中に配置された磁石 (コンパスの針) など (南北軸を意味バーの磁石はコンパスの針は地球の磁場の方向を検出するしくみでもあるローカル磁気フィールドの方向に沿って)。磁気動いて充電でローレンツ力を発揮します。力ローカル磁界 (B)、電荷量 (q)、速度 (v) に比例し、運動と磁場の両方に対して垂直な方向を指します。ローレンツ力ベクトル (F) は v と B の間のベクトルの積に比例し、によって与えられます。

したがって、F がゼロのとき動きの方向は磁場に平行な電荷の運動の軌道を曲げるだろうそれ以外の場合。ローレンツ力のため (限り、電流は磁場の方向に平行ではない) 磁場は現在運送ワイヤーの力も発揮します。

1. 磁力線を可視化します。

1. 直線導線 (少なくとも数センチ) のセグメントと DC 電流源を取得します。
2. 中高それぞれのピンに、自由に回転可能なマウント プレート上いくつかの小さなコンパスの針の穴とプレートを取得します。
3. 直線部はプレートに対して垂直なので、スルーホール線状導体をフィードします。図 2 aに示すように、DC 電流源に線状導体を接続します。ケーブルのクランプで接続が可能します。
4. 現在のソースをオンにし、+5 A のワイヤーに電流を供給します。コンパスの針の動作を観察します。
5. 逆に現在の −5 に、コンパスの針の動作を再度確認します。
6. 外し、線状導体と電流源。取得し、永続的なをもたらす図 2 bに示すように、基板に平行その長い軸に磁石をプレートに近い磁石の北の端、側面からのアプローチ プレートにバーします。コンパスの針の動作を観察します。
7. バーの向きを反転と今のマグネット プレートに近い南終わり。コンパスの針の動作を観察します。

図 2:; プレートにプレートと中央の穴を垂直実行する線の直線セグメントに流れる電流 (、) を使用して実験のセットアップを示す図または (b) バー磁石プレートに近づけるし、地元の磁場の方向に沿ってプレート コンパスの針の向きが磁場を生成するため、板に垂直を指向します。

2 磁場の影響

1. 長いと並列図 3aに示すように、フレームワークに固定線を導電性の二つを取得します。必要な場合、1 つ 2 つの平行棒 (上部と下部) とアンカーと木製フレームを使用したり、2 つのバーにワイヤーの両端をテープします。
2. 図 3 aに示すように、他のワイヤの下端に接続されている 1 つのワイヤの先端とシリーズで、動力源を 2 本のワイヤを接続するのにケーブルとクランプを使用します。
3. 2 本のワイヤで同じ方向 (上から下へ流れる) に電流が流れますので、電源をオンに。現在は 2 本のワイヤを確認します。
4. オフにする電源を切断、今彼ら今再び直列に接続、ソースがショート、2 本のワイヤの先端、図 3bに示すように、2 つのケーブルを接続します。
5. 今電源をオンにし、現在通過反対方向に 2 本のワイヤを確認します。2 本のワイヤを観察します。

図 3: 同じ (、) または (b) の方向の反対側を流れる電流と 2 つの平行導線の実験のセットアップを示す図。

手順 1.3 から 1.4 の前に現在がオン、コンパスの針、指向ランダムに。上部から下部にワイヤーで流れる電流の切り替え後コンパス針自分自身をします合わせます円形パターンの局所磁場を図 4 a (平面図) で表した。図 4 bに示されているように、コンパスの向き、電流を逆に磁場、反転します。

図 4: 図の電流誘起磁場 (、) 現在は図 2 a、上から下、および (b) (下上から) から今現在反転時に電流に示すセットアップのように肯定的なときに応答してコンパスの針の代表的なパターンを示します。

手順については 1.6 から 1.7、コンパスの針はバーによって作成された地元の磁場に沿って彼ら自身を方向づける、磁石 (磁気フィールド パターンを持つは図 1 の cに示すように)。図 5a(および 5 b)、磁石の北 (か南) 最後はプレートに近いときにコンパスの針の代表的なパターンを示しています。ただし、バーの極性磁石反転、ので磁場を作成するには、すべて磁石の針の向きも 。

図 5: バーによって生成された磁場に応答してコンパスの針の代表的なパターンを示す図図 2 bと、プレートに近い磁石の北極に示すセットアップの磁石 (、)(b) のプレートに近い磁石の南極での極性が反転します。

セクション 2、2 本のワイヤに流れる電流が同じ方向を互いに引き付けるために見られる、それらの電流が逆方向にしたら互いに反発します。これは通電ワイヤに 1 つ現在作用によって生成された磁場のローレンツ力のためです。図 3 aの状態のため (同じ方向がある 2 つの線の電流)、左のワイヤーがつくる磁界 (B) は (右手の法則によるとだけでなく、図 4 b)、右の線の位置にあるページを指す、したがってローレンツ力 qv (現在方向) と B のベクトルの積によって決定される (従って魅力的な) の左を指します。力逆 (右側を指して、このように反発)図 3 b、右のワイヤーに電流を反転するときの状況 (qv 逆)。左のワイヤーを右の線に作用によって作成される magnetic field のため力の方向は、図 3の赤の矢印で描かれます。

この実験では、磁場を方向づけるコンパスの針を用いた局所磁場可視化います。また、別のほぼ平行電流に電流がつくる磁界のローレンツ力を示した。

磁場は、私たちの毎日の生活とテクノロジにおける重要な役割を果たします。彼らは一般的に磁石または電磁石 (ソレノイド) と同様、「台所磁石」バー使用によって生成される、他の磁気オブジェクトをピックアップして使用されます。地球がまた磁場を生成する、(これは局所磁場に合わせます) コンパスの針を使用して、方向 (磁石としての地球の磁気南極は、実際に地理的な北極近くに地球表面の磁場を地理的北方向に指すように注意してください) に伝えます。磁気共鳴画像 (MRI)、医学では、重要な診断ツールは、動作するように強力な磁場を必要があります。

実験の著者は、材料準備のためゲイリー ハドソンとビデオの手順を示すため Chuanhsun Li の支援を認めています。