Cara Medan Magnet Berfungsi: Kutub, Garis Medan dan Kompas

Kutub dan dua peraturan mudah

Setiap magnet biasa mempunyai dua hujung yang daya tarikannya paling kuat. Kami memanggilnya kutub utara dan kutub selatan. Jika anda memotong magnet batang kepada dua, anda tidak akan mendapat satu bahagian utara dan satu bahagian selatan. Anda akan mendapat dua magnet yang lebih kecil, setiap satunya mempunyai sepasang kutub sendiri.

Daya antara kutub mengikut satu peraturan yang mudah: kutub yang sama menolak dan kutub yang berbeza menarik. Dua hujung utara menolak antara satu sama lain, dua hujung selatan juga menolak antara satu sama lain, manakala hujung utara tertarik ke arah hujung selatan.

Sebab itulah magnet boleh menarik dan menolak, sesuatu yang tidak pernah dilakukan oleh graviti. Hal ini juga memberikan petunjuk tentang sebab kutub sentiasa hadir berpasangan: magnet ialah dwikutub.

Apakah medan magnet

Magnet mengubah ruang di sekelilingnya. Pada setiap titik terdapat medan magnet, yang ditulis sebagai B, dan medan ini mempunyai kekuatan serta arah. Kita mengukurnya dalam tesla (T). Magnet peti sejuk menghasilkan beberapa perseribu tesla berhampiran permukaannya. Medan Bumi di permukaan tanah hanya kira-kira lima puluh persejuta tesla.

Magnet lain atau kepingan besi yang diletakkan di ruang itu akan mengalami daya kerana medan di situ. Medan ialah sesuatu yang membawa interaksi merentasi ruang antara kedua-duanya. Ini ialah idea yang lebih berkuasa daripada "magnet saling menarik", kerana ia tetap berfungsi walaupun magnet kedua dialihkan: medan itu masih ada.

Membaca garis medan

Kita tidak dapat melihat medan, jadi kita melukis garis medan. Beberapa peraturan menjadikannya mudah dibaca:

• garis pada mana-mana titik menunjukkan arah medan di situ,
• garis keluar dari kutub utara dan masuk ke kutub selatan, dan
• garis yang rapat menunjukkan medan yang lebih kuat, manakala garis yang jarang menunjukkan medan yang lebih lemah.

Taburkan serbuk besi di atas kertas yang diletakkan di atas magnet palang. Setiap serbuk kecil akan berubah menjadi magnet mini yang sejajar dengan medan. Serbuk-serbuk itu berkumpul membentuk corak melengkung yang sama seperti dalam rajah, tebal berhampiran kutub dan nipis apabila jauh. Garis medan tidak pernah bersilang kerana medan pada sesuatu titik hanya boleh menunjuk ke satu arah.

Kompas membaca medan

Jarum kompas ialah magnet kecil yang boleh berpusing bebas. Hujung utaranya berpusing untuk menunjuk sepanjang medan setempat. Oleh itu, kompas ialah pengesan arah medan, dan dengannya kamu boleh memetakan medan satu titik pada satu masa. Jauh daripada magnet berdekatan, medan yang dirasainya ialah medan Bumi, sebab itulah jarum kompas berhenti menghala ke utara geografi. Oleh sebab kutub yang berlawanan saling menarik, bahagian Bumi berhampiran kutub utara geografi berkelakuan seperti kutub magnet selatan.

Mengapa medan cepat berkurang

Jauh daripada magnet kecil, medan berkurang mengikut 1 / r³, dengan r ialah jarak dari pusatnya. Gandakan jarak dan medan mengecil menjadi satu perlapan. Tigakan jarak dan medan menjadi satu per dua puluh tujuh.

Sebabnya ialah struktur dwikutub. Magnet mempunyai kutub utara dan kutub selatan yang berdekatan, dan dari jauh kesannya sebahagiannya saling membatalkan. Bandingkan dengan peraturan 1 / r² yang lebih mudah untuk satu sumber terpencil. Dwikutub tidak mempunyai satu sumber tunggal untuk diikuti, jadi kesan yang tinggal berkurang dengan lebih cepat.

Inilah sebabnya magnet yang kuat boleh mengangkat paku dari jarak beberapa milimeter, tetapi tidak memberi kesan dari jarak satu meter. Simulasi menunjukkan perkara ini sebagai medan yang cepat menipis sebaik sahaja kamu mengalihkan prob menjauhinya.

Menambah medan dan titik neutral

Apabila dua magnet diletakkan berdekatan, medan magnetnya ditambah sebagai vektor, titik demi titik. Ini dipanggil superposisi. Jika dua medan menghala ke arah yang sama, kedua-duanya saling menguatkan. Jika kedua-duanya menghala ke arah bertentangan dengan saiz yang sama, kedua-duanya saling membatalkan.

Tempat yang jumlah medan magnetnya tepat-tepat sifar ialah titik neutral. Kompas yang diletakkan di situ tidak mempunyai arah pilihan, jadi jarumnya mungkin berhenti dalam apa-apa orientasi. Kamu boleh mencari tempat ini dengan menghalakan dua kutub yang sama sesama sendiri: medan magnetnya menolak antara satu sama lain, dan di suatu tempat antara magnet itu, kedua-duanya seimbang.

Salah faham yang biasa

• "Magnet menarik semua benda logam." Hanya beberapa bahan, terutamanya besi, nikel dan kobalt, bertindak balas dengan kuat. Tin aluminium dan syiling kuprum tidak melekat.
• "Kompas menunjuk ke kutub magnet yang paling dekat dengannya." Kompas menunjuk sepanjang medan setempat, yang melengkung. Berdekatan magnet, kompas mungkin menunjuk jauh daripada kutub yang paling dekat.
• "Garis medan ialah tali sebenar." Garis medan ialah alat untuk melukis medan. Medan wujud di mana-mana, bukan hanya di sepanjang garis itu.
• "Kutub utara Bumi ialah kutub utara magnet." Dari segi magnet, kutub itu sebenarnya bertentangan, seperti yang ditunjukkan oleh penerangan tentang kompas di atas.

Cara menerokainya dalam makmal

Makmal Medan membolehkan kamu meletakkan magnet, menyeret prob dan melihat medan 3D. Urutan yang dicadangkan untuk dunia pertama yang percuma:

1. Uji peraturan tolakan dan tarikan dalam Kutub dan daya.
2. Lukis medan yang tidak kelihatan dengan Garis medan dan serbuk besi.
3. Lihat sebab jarum berayun dalam Kompas dan medan Bumi.
4. Ukur pengurangan medan dalam Medan semakin lemah dengan cepat, kemudian cari titik sifar dalam Titik neutral.

Makmal ini ialah model pengajaran yang dipermudah dengan magnet yang diidealkan, jadi bentuknya lebih kemas berbanding medan magnet yang berserabut pada magnet sebenar yang tidak sekata. Namun, idea-idea ini masih boleh digunakan.