สนามแม่เหล็ก: ความเข้มลักษณะแหล่งที่มาตัวอย่าง - กายภาพ - 2025

สนามแม่เหล็กที่มีอิทธิพลต่อการเคลื่อนย้ายที่มีค่าใช้จ่ายไฟฟ้าในพื้นที่ที่ล้อมรอบพวกเขา ประจุมักจะมีสนามไฟฟ้า แต่มีเพียงประจุไฟฟ้าเท่านั้นที่สามารถสร้างเอฟเฟกต์แม่เหล็กได้

การมีอยู่ของแม่เหล็กเป็นที่รู้กันมานานแล้ว ชาวกรีกโบราณอธิบายถึงแร่ที่สามารถดึงดูดเหล็กชิ้นเล็ก ๆ ได้นั่นคือหินลอดจ์หรือแมกนีไทต์

รูปที่ 1. ตัวอย่าง Magnetite ที่มา: Wikimedia Commons Rojinegro81

นักปราชญ์ธาเลสแห่งมิเลทัสและเพลโตกำลังยุ่งอยู่กับการบันทึกผลแม่เหล็กในงานเขียนของพวกเขา อย่างไรก็ตามพวกเขายังรู้จักไฟฟ้าสถิตด้วย

แต่แม่เหล็กไม่ได้เกี่ยวข้องกับกระแสไฟฟ้าจนกระทั่งศตวรรษที่ 19 เมื่อ Hans Christian Oersted สังเกตว่าเข็มทิศเบี่ยงเบนไปใกล้กับลวดนำไฟฟ้าที่มีกระแสไฟฟ้า

วันนี้เรารู้แล้วว่าไฟฟ้าและแม่เหล็กเป็นสิ่งที่พูดได้ทั้งสองด้านของเหรียญเดียวกัน

สนามแม่เหล็กในฟิสิกส์

ในทางฟิสิกส์คำว่าสนามแม่เหล็กคือปริมาณเวกเตอร์โดยมีโมดูลัส (ค่าตัวเลข) ทิศทางในอวกาศและความรู้สึก มันยังมีสองความหมาย ครั้งแรกที่เป็นเวกเตอร์บางครั้งเรียกว่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กและจะเขียนแทนด้วยB

หน่วยของBในระบบหน่วยสากลคือ tesla เรียกโดยย่อว่า T ปริมาณอื่น ๆ ที่เรียกว่าสนามแม่เหล็กคือHหรือที่เรียกว่าความเข้มของสนามแม่เหล็กและมีหน่วยเป็นแอมแปร์ / เมตร

ปริมาณทั้งสองเป็นสัดส่วน แต่ถูกกำหนดด้วยวิธีนี้เพื่อคำนึงถึงผลกระทบที่วัสดุแม่เหล็กมีต่อสนามที่ไหลผ่าน

หากวัสดุถูกวางไว้ตรงกลางของสนามแม่เหล็กภายนอกสนามที่ได้จะขึ้นอยู่กับสิ่งนี้และการตอบสนองทางแม่เหล็กของวัสดุด้วย นั่นคือเหตุผลที่BและHเกี่ยวข้องกันโดย:

B = μ _มH

ในที่นี้μ _m คือค่าคงที่ขึ้นอยู่กับวัสดุและมีหน่วยที่เหมาะสมดังนั้นเมื่อคูณด้วยHผลลัพธ์จะเป็นเทสลา

ค

- สนามแม่เหล็กเป็นขนาดเวกเตอร์ดังนั้นจึงมีขนาดทิศทางและความรู้สึก

- หน่วยของสนามแม่เหล็กBในระบบสากลคือ tesla ย่อว่า T ในขณะที่Hคือแอมแปร์ / เมตร หน่วยอื่น ๆ ที่ปรากฏบ่อยในวรรณคดี ได้แก่ เกาส์ (G) และออร์สเตด

- เส้นสนามแม่เหล็กเป็นลูปปิดเสมอโดยออกจากขั้วเหนือและเข้าขั้วใต้ เขตข้อมูลสัมผัสกับเส้นเสมอ

- ขั้วแม่เหล็กจะแสดงเป็นคู่เหนือ - ใต้เสมอ เป็นไปไม่ได้ที่จะมีขั้วแม่เหล็กแยก

- มักเกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า

- ความเข้มของมันเป็นสัดส่วนกับขนาดของโหลดหรือกระแสที่ผลิต

- ขนาดของสนามแม่เหล็กจะลดลงตามค่าผกผันของกำลังสองของระยะทาง

- สนามแม่เหล็กอาจเป็นค่าคงที่หรือเปลี่ยนแปลงได้ทั้งในเวลาและในอวกาศ

- สนามแม่เหล็กสามารถออกแรงแม่เหล็กกับประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่หรือบนลวดที่มีกระแสไฟฟ้า

เสาแม่เหล็ก

แม่เหล็กแท่งจะมีขั้วแม่เหล็กสองขั้วเสมอคือขั้วเหนือและขั้วใต้ เป็นเรื่องง่ายมากที่จะตรวจสอบว่าเสาของเครื่องหมายเดียวกันขับไล่ในขณะที่เสาประเภทต่างๆดึงดูด

สิ่งนี้ค่อนข้างคล้ายกับสิ่งที่เกิดขึ้นกับประจุไฟฟ้า นอกจากนี้ยังสังเกตได้ว่ายิ่งอยู่ใกล้กันมากเท่าไหร่แรงที่ดึงดูดหรือขับไล่กันก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

แม่เหล็กแท่งมีรูปแบบของเส้นสนามที่โดดเด่น เป็นพวกโค้งหักศอกออกจากขั้วเหนือและเข้าขั้วใต้

รูปที่ 2. เส้นสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กแท่ง ที่มา: Wikimedia Commons

การทดลองง่ายๆในการดูเส้นเหล่านี้คือการแผ่ตะไบเหล็กลงบนแผ่นกระดาษแล้ววางแท่งแม่เหล็กไว้ข้างใต้

ความเข้มของสนามแม่เหล็กถูกกำหนดให้เป็นฟังก์ชันของความหนาแน่นของเส้นสนาม สิ่งเหล่านี้มักจะหนาแน่นที่สุดใกล้กับขั้วและมันจะกระจายออกไปเมื่อเราเคลื่อนตัวออกจากแม่เหล็ก

แม่เหล็กเรียกอีกอย่างว่าไดโพลแม่เหล็กซึ่งทั้งสองขั้วคือขั้วแม่เหล็กเหนือและใต้อย่างแม่นยำ

แต่พวกเขาไม่สามารถแยกออกจากกันได้ หากคุณตัดแม่เหล็กเป็นครึ่งหนึ่งคุณจะได้แม่เหล็กสองชิ้นโดยแต่ละแม่เหล็กจะมีขั้วเหนือและขั้วใต้ตามลำดับ เสาที่แยกได้เรียกว่าโมโนโพลแม่เหล็ก แต่จนถึงปัจจุบันยังไม่มีการแยกขั้ว

แหล่งที่มา

เราสามารถพูดถึงแหล่งกำเนิดต่างๆของสนามแม่เหล็ก พวกมันมีตั้งแต่แร่ธาตุแม่เหล็กผ่านโลกซึ่งมีลักษณะเหมือนแม่เหล็กขนาดใหญ่ไปจนถึงแม่เหล็กไฟฟ้า

แต่ความจริงก็คือสนามแม่เหล็กทุกแห่งมีจุดกำเนิดในการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า

ต่อมาเราจะเห็นว่าแหล่งกำเนิดแม่เหล็กทั้งหมดอาศัยอยู่ในกระแสเล็ก ๆ ภายในอะตอมซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสและผลกระทบทางควอนตัมที่มีอยู่ในอะตอม

อย่างไรก็ตามเกี่ยวกับต้นกำเนิดที่มีขนาดเล็กเราสามารถนึกถึงแหล่งที่มาจากธรรมชาติและแหล่งกำเนิดเทียมได้

โดยหลักการแล้วแหล่งธรรมชาติจะไม่ "ปิด" แต่เป็นแม่เหล็กถาวรอย่างไรก็ตามต้องคำนึงถึงความร้อนที่ทำลายแม่เหล็กของสาร

สำหรับแหล่งกำเนิดเทียมสามารถระงับและควบคุมผลแม่เหล็กได้ ดังนั้นเราจึงมี:

- แม่เหล็กจากแหล่งกำเนิดตามธรรมชาติที่ทำจากแร่แม่เหล็กเช่นแมกไนต์และแมกฮีไมต์ทั้งเหล็กออกไซด์เป็นต้น

- กระแสไฟฟ้าและแม่เหล็กไฟฟ้า

แร่แม่เหล็กและแม่เหล็กไฟฟ้า

ในธรรมชาติมีสารประกอบต่างๆที่มีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็กที่น่าทึ่ง พวกมันสามารถดึงดูดชิ้นส่วนของเหล็กและนิกเกิลเช่นเดียวกับแม่เหล็กอื่น ๆ

ออกไซด์ของเหล็กที่กล่าวถึงเช่นแมกไนต์และแมกฮีไมต์เป็นตัวอย่างของสารประเภทนี้

ความไวต่อแม่เหล็กเป็นพารามิเตอร์ที่ใช้ในการหาปริมาณคุณสมบัติทางแม่เหล็กของหิน หินอัคนีพื้นฐานเป็นหินที่มีความไวสูงที่สุดเนื่องจากมีแมกนีไทต์สูง

ในทางกลับกันตราบใดที่คุณมีลวดที่นำกระแสก็จะมีสนามแม่เหล็กที่เกี่ยวข้อง ที่นี่เรามีอีกวิธีหนึ่งในการสร้างสนามซึ่งในกรณีนี้จะอยู่ในรูปของวงกลมศูนย์กลางด้วยเส้นลวด

ทิศทางการเคลื่อนที่ของสนามกำหนดโดยกฎของนิ้วหัวแม่มือขวา เมื่อนิ้วหัวแม่มือของมือขวาชี้ไปในทิศทางของกระแสไฟฟ้าทั้งสี่นิ้วที่เหลือจะระบุทิศทางที่เส้นสนามงอ

รูปที่ 3 กฎหัวแม่มือขวาเพื่อให้ได้ทิศทางและความรู้สึกของสนามแม่เหล็ก ที่มา: Wikimedia Commons

แม่เหล็กไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่สร้างแม่เหล็กจากกระแสไฟฟ้า มีข้อดีคือสามารถเปิดปิดได้ตามต้องการ เมื่อกระแสหยุดลงสนามแม่เหล็กจะหายไป นอกจากนี้ยังสามารถควบคุมความเข้มของสนามได้อีกด้วย

แม่เหล็กไฟฟ้าเป็นส่วนหนึ่งของอุปกรณ์ต่างๆรวมถึงลำโพงฮาร์ดไดรฟ์มอเตอร์และรีเลย์เป็นต้น

แรงแม่เหล็กต่อประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่

การดำรงอยู่ของสนามแม่เหล็กBสามารถตรวจสอบได้โดยใช้วิธีการทดสอบค่าไฟฟ้าที่เรียกว่า Q- และย้ายที่มีความเร็ววีด้วยเหตุนี้การมีอยู่ของสนามไฟฟ้าและความโน้มถ่วงจะถูกตัดออกอย่างน้อยก็ในขณะนี้

ในกรณีเช่นนี้แรงที่เกิดจากประจุ q ซึ่งแสดงเป็นF _Bนั้นล้วนมาจากอิทธิพลของสนาม ในเชิงคุณภาพจะสังเกตเห็นสิ่งต่อไปนี้:

- ขนาดของF _B เป็นสัดส่วนกับ q และความเร็ว v

- ถ้าvขนานกับเวกเตอร์สนามแม่เหล็กขนาดของF _Bจะเป็นศูนย์

- แรงแม่เหล็กตั้งฉากกับทั้งvและB

- สุดท้ายขนาดของแรงแม่เหล็กเป็นสัดส่วนกับบาปθโดยที่θคือมุมระหว่างเวกเตอร์ความเร็วและเวกเตอร์สนามแม่เหล็ก

ทั้งหมดข้างต้นใช้ได้กับทั้งประจุบวกและลบ ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือทิศทางของแรงแม่เหล็กจะกลับกัน

ข้อสังเกตเหล่านี้เห็นด้วยกับผลคูณของเวกเตอร์ระหว่างเวกเตอร์สองเวกเตอร์ดังนั้นแรงแม่เหล็กที่เกิดจากประจุพอยต์ q เคลื่อนที่ด้วยความเร็วvตรงกลางสนามแม่เหล็กคือ:

F _B = q v x B

โมดูลของใครคือ:

รูปที่ 4. กฎมือขวาสำหรับแรงแม่เหล็กที่มีประจุบวก ที่มา: Wikimedia Commons

สนามแม่เหล็กเกิดขึ้นได้อย่างไร?

มีหลายวิธีเช่น:

- ด้วยการดึงดูดสารที่เหมาะสม

- ส่งกระแสไฟฟ้าผ่านลวดที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า

แต่จุดกำเนิดของแม่เหล็กในสสารนั้นอธิบายได้โดยการจำว่ามันต้องเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของประจุ

อิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสนั้นโดยพื้นฐานแล้วเป็นวงจรไฟฟ้ากระแสสลับขนาดเล็ก แต่มีความสามารถในการทำให้เกิดแม่เหล็กของอะตอมอย่างมาก มีอิเล็กตรอนจำนวนมากในวัสดุแม่เหล็ก

การมีส่วนร่วมต่อแม่เหล็กของอะตอมนี้เรียกว่าโมเมนต์แม่เหล็กออร์บิทัล แต่มีมากกว่านั้นเนื่องจากการแปลไม่ใช่การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเพียงอย่างเดียว นอกจากนี้ยังมีโมเมนต์หมุนแม่เหล็กซึ่งเป็นเอฟเฟกต์ควอนตัมที่มีการเปรียบเทียบว่าเป็นการหมุนของอิเล็กตรอนบนแกนของมัน

ในความเป็นจริงโมเมนต์แม่เหล็กของการหมุนเป็นสาเหตุหลักของการเกิดแม่เหล็กของอะตอม

ประเภท

สนามแม่เหล็กสามารถเกิดได้หลายรูปแบบขึ้นอยู่กับการกระจายของกระแสที่มา ในทางกลับกันมันอาจแตกต่างกันไปไม่เพียง แต่ในอวกาศเท่านั้น แต่ยังมีเวลาหรือทั้งสองอย่างในเวลาเดียวกัน

- ในบริเวณใกล้เคียงกับขั้วของแม่เหล็กไฟฟ้ามีสนามคงที่โดยประมาณ

- นอกจากนี้ภายในโซลินอยด์จะได้รับสนามที่มีความเข้มสูงและสม่ำเสมอโดยมีเส้นสนามกำกับตามแกนแกน

- สนามแม่เหล็กของโลกใกล้เคียงกับสนามแม่เหล็กแท่งค่อนข้างดีโดยเฉพาะในบริเวณใกล้เคียงกับพื้นผิว ไกลออกไปลมสุริยะจะปรับเปลี่ยนกระแสไฟฟ้าและทำให้เสียรูปทรงอย่างเห็นได้ชัด

- ลวดที่นำกระแสมีสนามในรูปของวงกลมศูนย์กลางด้วยลวด

เกี่ยวกับว่าฟิลด์สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตลอดเวลาหรือไม่เรามี:

- สนามแม่เหล็กคงที่เมื่อทั้งขนาดและทิศทางของพวกมันไม่มีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา สนามแม่เหล็กแท่งเป็นตัวอย่างที่ดีของสนามประเภทนี้ นอกจากนี้ที่มาจากสายไฟที่มีกระแสไฟฟ้านิ่ง

- ฟิลด์ที่เปลี่ยนแปลงได้เมื่อเวลาผ่านไปหากมีลักษณะแตกต่างกันไปตามช่วงเวลา วิธีหนึ่งที่จะได้มาคือเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับซึ่งใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก พบได้ในอุปกรณ์ที่ใช้กันทั่วไปเช่นโทรศัพท์มือถือ

กฎหมายของ Biot-Savart

เมื่อจำเป็นต้องคำนวณรูปร่างของสนามแม่เหล็กที่เกิดจากการกระจายของกระแสการใช้กฎหมาย Biot-Savart ค้นพบในปี 1820 โดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Jean Marie Biot (1774-1862) และ Felix Savart (1791-1841) )

สำหรับการแจกแจงปัจจุบันบางส่วนที่มีรูปทรงเรขาคณิตอย่างง่ายสามารถหานิพจน์ทางคณิตศาสตร์สำหรับเวกเตอร์สนามแม่เหล็กได้โดยตรง

สมมติว่าเรามีส่วนของเส้นลวดที่มีความยาวต่างกัน dl ที่มีกระแสไฟฟ้า I ลวดจะถูกถือว่าอยู่ในสุญญากาศ สนามแม่เหล็กที่สร้างการกระจายนี้:

- ลดลงด้วยการผกผันของกำลังสองของระยะห่างกับเส้นลวด

- เป็นสัดส่วนกับความเข้มของกระแส I ที่ผ่านสายไฟ

- ทิศทางของมันคือสัมผัสกับเส้นรอบวงของรัศมี r ที่มีศูนย์กลางอยู่ที่เส้นลวดและทิศทางของมันถูกกำหนดโดยกฎของนิ้วหัวแม่มือขวา

- μ _o = 4π 10 ^-7ต.ม. / ก

- d Bคือความแตกต่างของสนามแม่เหล็ก

- ฉันคือความเข้มของกระแสที่ไหลผ่านสายไฟ

- r คือระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางของเส้นลวดและจุดที่คุณต้องการค้นหาฟิลด์

-rคือเวกเตอร์ที่ต่อจากเส้นลวดไปยังจุดที่คุณต้องการคำนวณเขตข้อมูล

ตัวอย่าง

ด้านล่างนี้คือสองตัวอย่างของสนามแม่เหล็กและนิพจน์เชิงวิเคราะห์

สนามแม่เหล็กที่เกิดจากลวดเส้นตรงยาวมาก

ตามกฎไบโอต์ - ซาวาร์ตสนามที่ผลิตโดยลวดตัวนำ จำกัด บาง ๆ ที่มีกระแส I สามารถหาได้โดยการรวมตามตัวนำและรับกรณี จำกัด ที่มีความยาวมากขนาดของสนาม ผลลัพธ์:

สนามที่สร้างโดยขดลวด Helmholtz

ขดลวด Helmholtz ประกอบด้วยขดลวดวงกลมที่เหมือนกันและมีศูนย์กลางสองขดซึ่งจะส่งผ่านกระแสเดียวกัน พวกเขาทำหน้าที่สร้างสนามแม่เหล็กที่สม่ำเสมอโดยประมาณภายในสนามแม่เหล็ก

รูปที่ 5. แผนผังของขดลวด Helmholtz ที่มา: Wikimedia Commons

ขนาดที่กึ่งกลางของขดลวดคือ:

Y ถูกนำไปตามแกนแกน ปัจจัยของสมการคือ:

- N หมายถึงจำนวนรอบของขดลวด

- ฉันคือขนาดของกระแส

- μ _oคือความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กของสูญญากาศ

- R คือรัศมีของขดลวด

อ้างอิง

1. Figueroa, D. (2005). ซีรี่ส์: ฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม เล่มที่ 1. Kinematics. แก้ไขโดย Douglas Figueroa (USB)
2. สนามแม่เหล็กความแรงของHสืบค้นจาก: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
3. Kirkpatrick, L. 2007. ฟิสิกส์: มองโลก. ฉบับย่อที่ 6 การเรียนรู้ Cengage
4. สนามแม่เหล็กและกองกำลังแม่เหล็ก กู้คืนจาก: phys.ucf.edu.
5. Rex, A. 2011. ความรู้พื้นฐานทางฟิสิกส์. เพียร์สัน
6. Serway, R. , Jewett, J. (2008). ฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม. เล่ม 2. 7th. Ed. Cengage Learning.
7. มหาวิทยาลัยบีโก. ตัวอย่างของแม่เหล็ก สืบค้นจาก: quintans.webs.uvigo.es