Champs magnétiques

Source : Yong P. Chen, PhD, département de physique & astronomie, Faculté des sciences, Université de Purdue, West Lafayette, Indiana

Les champs magnétiques peuvent être générées par le déplacement de charges, comme un courant électrique. Le champ magnétique généré par un courant peut être calculé à partir de l’équation de Maxwell. En outre, des objets magnétiques tels que bar aimants peuvent également générer des champs magnétiques en raison de la dynamique microscopique des frais à l’intérieur de la matière. Champs magnétiques va exercer la force magnétique sur d’autres frais de déplacement ou des objets magnétiques, avec la force proportionnelle au champ magnétique. Les champs magnétiques sont fondamentales pour l’électromagnétisme et sous-tendent les nombreuses applications pratiques allant de compas à l’imagerie par résonance magnétique.

Cette expérience démontrera les champs magnétiques produits par un permanent bar aimant comme un courant électrique, en utilisant des aimants de petite aiguille de la boussole qui s’harmonisent avec des champs magnétiques. Cette expérience démontrera également la force exercée par le champ magnétique produit par un courant sur un autre fil de courant.

Champs magnétiques (communément appelées « Champs B ») peut être produits par le déplacement des charges (par exemple un courant électrique) ou « aimants permanents » (tels que common bar aimants) constituées de matériaux magnétiques (comme le fer). Si l'on suit la direction locale du champ magnétique à la trace les lignes de champ de vecteur, ces lignes (dont la tangente reflète la direction locale du champ magnétique et la densité des lignes reflète la force du champ magnétique local) sont appelées « lignes de champ magnétique ». Ce sont des lignes fictives qui aident à visualiser la distribution et l’orientation des champs magnétiques.

Par exemple, un longue ligne droite de fil porteur un électrique actuel j’ai produit un champ magnétique dans l’espace environnant : l’amplitude du champ magnétique est proportionnel au courant j’ai et inversement proportionnelle à la distance r du fil ; et la direction du champ magnétique (représenté par « lignes de champ magnétique ») est le long de la direction tangente circulaire autour du fil (déterminé par la règle dite « droite », avec le pouce pointant le long du courant et les doigts autour de la direction du champ magnétique de curling), représentée dans la Figure 1 a. Un solénoïde (fait de nombreux tours de boucles de courant ou des bobines) produira un champ magnétique qui est également proportionnel au courant dans la bobine et surtout uniforme et le long de l’axe longitudinal à l’intérieur du solénoïde (également déterminé par la règle de droite, avec les doigts autour du courant et le pouce pointant le long du champ magnétique de curling), mais s’étale et se désintègre en dehors de l’électroaimant (les lignes de champ magnétique retournera à l’autre extrémité du solénoïde) , représenté dans la Figure 1 b. Le motif du champ magnétique produit par une barre aimant est similaire à celle par un solénoïde, avec les lignes de champ magnétique, laissant le pôle Nord de l’aimant et en entrant le pôle sud de l’aimant, comme illustré à la Figure 1C.

Figure 1 : Diagramme montrant des modèles de champ magnétique (visualisés par les lignes de champ magnétique) générées par un courant rectiligne (une), un solénoïde (b) et une barre aimant (c).

Un champ magnétique (B) agira sur d’autres objets magnétiques et les frais de déplacement. Un petit bar aimant (comme l’aiguille d’une boussole) placé dans un champ magnétique tendrait à s’aligner sur le champ magnétique local (ce qui signifie que l’axe nord-sud de la barre aimant se trouve le long de la direction du champ magnétique local, qui est également comment l’aiguille de la boussole s’efforce de détecter la direction du champ magnétique terrestre). Un champ magnétique va exercer une force de Lorentz sur un coût de déménagement. La force est proportionnelle au champ magnétique local (B), la charge (q) et sa vitesse (v) et pointe dans une direction perpendiculaire à la fois le mouvement et le champ magnétique. Le vecteur de force de Lorentz (F) est proportionnel au produit vectoriel entre v et B et est donné par :

Par conséquent, lorsque F est nul, la direction du mouvement est parallèle au champ magnétique mais sinon ferait bander la trajectoire de la motion de l’accusation. En raison de la force de Lorentz, un champ magnétique exerce également une force sur un fil portant courant (tant que le courant n’est pas parallèle à la direction du champ magnétique).

1. visualiser les lignes de champ magnétique

1. Obtenir un segment de droite fil conducteur (au moins plusieurs cm de long) et une source de courant DC.
2. Obtenir une plaque avec un trou au milieu et plusieurs petites aiguilles de boussole sur la plaque, chacun monté sur une broche et librement.
3. Nourrir le fil conducteur dans le trou pour la section droite est perpendiculaire à la plaque. Connecter le fil conducteur à la source de courant DC, comme illustré à la Figure 2 a. La connexion peut être établie par des câbles avec des pinces.
4. Allumez la source de courant et d’alimentation +5 A du courant dans le fil. Observer le comportement de l’aiguille du compas.
5. Inverser le courant à −5 A et observer le comportement de l’aiguille de la boussole à nouveau.
6. Débrancher et retirer le fil conducteur et la source de courant. Obtenir et faire une permanente bar aimant avec sa longue-axe parallèle à la Commission, à l’approche de la plaque de côté, avec l’extrémité nord de l’aimant de plus près à la plaque, comme illustré à la Figure 2 b. Observer le comportement de l’aiguille du compas.
7. Inverser l’orientation de la barre de l’aimant, avec maintenant son extrémité sud près de la plaque. Observer le comportement de l’aiguille du compas.

Figure 2: Schéma montrant les configurations expérimentales en utilisant le (un) à un courant circulant dans un segment de droite de fil qui est perpendiculaire à l’assiette et dans le trou central sur la plaque ; ou (b) une barre aimant apporté à proximité de la plaque et orienté perpendiculairement à la plaque, pour générer des champs magnétiques, qui orienteront les aiguilles de boussole sur la plaque le long de la direction des champs magnétiques les.

2. l’effet du champ magnétique

1. Obtenir deux longues et parallèles des conducteurs ancrés sur un cadre, comme illustré à la Figure 3 a. Si nécessaire, on peut utiliser une armature en bois avec deux barres parallèles (haut et bas) et d’ancrage ou les deux extrémités des fils sur les deux barres de bande.
2. Utilisez les câbles et pinces pour relier les deux fils en série et à la source d’alimentation, à l’extrémité supérieure d’un fil relié à l’extrémité inférieure de l’autre fil, tel qu’illustré à la Figure 3 a.
3. Ouvrir la source d’alimentation jusqu'à ce que le courant s’écoule dans la même direction (qui coule de haut en bas) dans les deux fils. Observer les deux fils lorsque le courant est en marche.
4. Éteindre et débrancher la source d’alimentation, maintenant rebrancher les deux fils tels qu’ils sont maintenant liés à nouveau dans la série à la source, mais avec les extrémités supérieures des deux câbles est court-circuité, tel qu’illustré à la Figure 3 b.
5. Maintenant Allumez la source de puissance et d’observer que le courant s’écoule à travers les deux fils dans des directions opposées. Observer les deux fils.

Figure 3: Schéma montrant les configurations expérimentales de deux fils parallèles avec le courant circulant dans le même (a) ou (b) directions opposées.

Pour obtenir la procédure 1,3-1,4, avant que le courant est en marche, les aiguilles de boussole sont orientés au hasard. Après avoir allumé le courant qui circule dans le fil de haut en bas, les aiguilles de boussole s’alignera avec le champ magnétique local en cercles, comme illustré à la Figure 4 a (vue de dessus). À inverser le courant, le champ magnétique s’inverse, comme le font les orientations des compas, comme illustré à la Figure 4 b.

Figure 4: Schéma montrant les motifs représentant des aiguilles boussole en réponse aux courant induit des champs magnétiques (a) lorsque le courant est positif, comme indiqué dans le programme d’installation illustré à la Figure 2 a, où le courant circule de haut en bas et (b) lorsque le courant s’inverse (maintenant de bas en haut).

Pour obtenir la procédure 1.6-1.7, les aiguilles de boussole s’orientent sur les champs magnétiques les créés par le barreau magnétique (dont le modèle champ magnétique est indiqué dans la Figure 1C). Figure 5 a (et 5 b) représente le modèle représentatif de l’aiguille de boussole lors de la fin du Nord (ou sud) de l’aimant est plus proche de la plaque. Notez qu’une fois la polarité de la barre aimant inverse, donc fait le champ magnétique qu’il crée et donc faire les orientations des aiguilles tous les compas.

Figure 5: Schéma montrant les modèles représentatifs des aiguilles boussole répondant aux champs magnétiques générés par la barre aimant (un) dans le programme d’installation illustré à la Figure 2 b, avec le pôle Nord de l’aimant plus près de la plaque ; et (b) avec inversion de polarité, avec le pôle sud de l’aimant plus près de la plaque.

Pour l’article 2, les deux fils verra pour attirer les uns aux autres, quand les courants circulant en eux ont le même sens et repoussent mutuellement lorsque les courants en eux ont des directions opposées. Cela est dû à la force de Lorentz du champ magnétique généré par un courant agissant sur l’autre fil de courant. Pour la situation dans la Figure 3 a (courants dans les deux fils ont même direction), le champ magnétique (B) produit par le fil de gauche est orientée dans la page à la position du fil droit (selon la règle de la main droite, ainsi que dans la Figure 4 b), et par conséquent la force de Lorentz, tel que déterminé par le produit vectoriel de qv (le long de la direction actuelle) et B pointera vers la gauche (donc attrayante). La force recule (pointant vers la droite, donc répulsives) pour la situation dans la Figure 3 b, lorsque le courant dans le fil de droit inverse (qv revers). Les directions de la force due au champ magnétique créé par fil gauche agissant sur le fil de droit sont représentées par des flèches rouges sur la Figure 3.

Dans cette expérience, nous avons visualisé les champs magnétiques à l’aide de compas d’aiguilles servant à oriente avec le champ magnétique local. Nous avons aussi démontré la force de Lorentz du champ magnétique produit par un courant sur un autre courant presque parallèle.

Les champs magnétiques jouent un rôle important dans notre vie quotidienne et de la technologie. Ils sont générés par couramment utilisé bar aimants ou « aimants de cuisine » ainsi que des électro-aimants (solénoïdes) et sont utilisés pour ramasser d’autres objets magnétiques. Terre aussi génère un champ magnétique, et voilà comment une aiguille de la boussole (qui s’aligne sur le champ magnétique local) est utilisée pour indiquer la direction (note du pôle sud magnétique de la terre comme un aimant est réellement proches du pôle nord géographique, tels que le champ magnétique à la surface de la terre pointe vers la direction du nord géographique). L’imagerie par résonance magnétique (IRM), un outil de diagnostic important en médecine, doit également un champ magnétique puissant pour fonctionner.

L’auteur de l’expérience reconnaît l’aide de Gary Hudson pour la préparation du matériel et Chuanhsun Li pour démontrer les étapes dans la vidéo.