If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Եթե գտնվում ես վեբ զտիչի հետևում, խնդրում ենք համոզվել, որ *.kastatic.org և *.kasandbox.org տիրույթները հանված են արգելափակումից։

Հիմնական նյութ

Ի՞նչ է մագնիսական դաշտը։

Սովորիր, թե ինչ է մագնիսական դաշտը և ինչպես կարելի է այն որոշել:

Ինչ է մագնիսական դաշտը

Մագնիսական դաշտն այն պատկերն է, որը մենք օգտագործում ենք որպես գործիք՝ նկարագրելու համար մագնիսական ուժի (ինդուկցիայի) բաշխվածությունը տարածության մեջ և որևէ մագնիսական առարկայի մեջ։
Մեզնից շատերը ծանոթ են ամենօրյա մագնիսական առարկաների և գիտեն, որ նրանց միջև կարող են լինել ուժեր։ Մենք գիտենք, որ մագնիսներն ունեն երկու բևեռներ և, կախված երկու մագնիսների դիրքից, կարող է լինել ձգողություն (հականուն բևեռներ) կամ վանողություն (նույնանուն բևեռներ)։ Պարզ է, որ մագնիսի շուրջը կա մի տիրույթ, որտեղ այս երևույթը տեղի է ունենում։ Մագնիսական դաշտը նկարագրում է այդ տիրույթը։
Սովորաբար մագնիսական դաշտը նկարագրելու համար գոյություն ունեն երկու տարբեր եղանակներ։
  1. Մաթեմատիկորեն մագնիսական դաշտը նկարագրվում է որպես վեկտորական դաշտ։ Այս վեկտորական դաշտը կարելի է պատկերել որպես ցանցի վրա շատ վեկտորների բազմություն։ Յուրաքանչյուր վեկտորի ուղղությունն ուղղված է կողմնացույցի ուղղությամբ և երկար է այնքան, որքան մեծ է մագնիսական ուժը (ինդուկցիան)։ Ցանցի տեսքով դասավորելով բազմաթիվ փոքր կողմնացույցներ և տեղադրելով ցանցը մագնիսական դաշտում՝ կուսումնասիրենք այս տեխնիկան։ Այստեղ միակ տարբերությունն այն է, որ կողմնացույցը ցույց չի տալիս դաշտի (ինդուկցիայի) մեծությունը։
    Նկար 1. Վեկտորական դաշտի պատկերը մագնիսական ձողի դեպքում
    Նկար 1. Վեկտորական դաշտի պատկերը մագնիսական ձողի դեպքում։
  2. Վեկտորական դաշտում ինֆորմացիայի ներկայացման այլընտրաքային տարբերակ են մագնիսական ինդուկցիայի գծերը։ Այս դեպքում աշխատում ենք առանց ցանցի և վեկտորները միացնում ենք հոծ գծերով։ Կարող ենք գծերը պատկերել այնքան, որքան կամենանք։
    Նկար 2. Մագնիսական ձողի ուժագծերի պատկերը։
    Նկար 2. Մագնիսական ձողի ուժագծերի պատկերը։
    Մագնիսական ինդուկցիայի գծերի մեթոդն ունի մի շարք կարևոր հատկություններ.
    • Մագնիսական ինդուկցիայի գծերը երբեք չեն հատվում։
    • Մագնիսական ինդուկցիայի գծերը խիտ են այն մասերում, որտեղ մագնիսական դաշտն (ինդուկցիան) ամենամեծն է։ Սա նշանակում է, որ գծերի խտությունը ցույց է տալիս դաշտի (ինդուկցիայի) ուժգնությունը։
    • Մագնիսական ինդուցիայի գծերը չեն սկսվում որևէ տեղից և չեն ավարտվում որևէ տեղ, դրանք փակ են և շարունակվում են մագնիսական նյութի մեջ (չնայած հաճախ այդպես չեն պատկերվում)։
    • Մեզ անհրաժեշտ է նշել նաև դաշտի (ինդուկցիայի) ուղղությունը։ Սա սովորաբար արվում է՝ մագնիսական ինդուկցիայի գծերի վրա սլաք դնելով։ Երբեմն սլաքները նկարված չեն լինում, և անհրաժեշտ է լինում ինդուկցիայի ուղղությունը մեկ այլ ձևով որոշել։ Պատմականորեն մի տիրույթը սահմանում ենք «հյուսիսը», մյուսը՝ «հարավը», գծերը պատկերում ենք միայն այս «բևեռներից»։ Ենթադրվում է, որ դաշտը (ինդուկցիան) ուղղված է հյուսիսից հարավ։ «N» և «S» տառերը սովորաբար նշանակվում են մագնիսական դաշտի աղբյուրի եզրերին, չնայած որ սա կամայական է, և ոչ մի առանձնահատուկ բան չկա այս դիրքերում։
    • Ինդուկցիայի գծերը կարելի է հեշտությամբ տեսանելի դարձնել։ Սա սովորաբար արվում է որևէ մագնիսական առարկայի շրջակայքում երկաթի խարտուք շաղ տալով։ Մագնիսական դաշտում խարտուքի յուրաքանչյուր հատիկ մագնիսանում է և իրեն պահում է որպես հարավային և հյուսիսային բևեռներով փոքրիկ մագնիս։ Խարտուքները բնականորեն միմյանցից հեռանում են, քանի որ նույնանուն բևեռները վանվում են։ Արդյունքում ստացվում է պատկեր, որը ցույց է տալիս ինդուկցիայի գծերը։ Այս ընդհանուր պատկերը միշտ նույնը կլինի, սակայն գծերի ճշգրիտ տեղը և դրանց խտությունը կախված են խարտուքների շաղ տված ձևից, խարտուքների չափերից և մագնիսական հատկություններից։
      Նկար 3. Մագնիսական ձողի ուժագծերը տեսանելի դարձած՝ երկաթի խարտուքի միջոցով։
      Նկար 3. Մագնիսական ձողի շուրջը ինդուկցիայի գծերի տեսանելի պատկեր երկաթի խարտուքի միջոցով։

Ինչպես ենք չափում մագնիսական դաշտերը (ինդուկցիան)

Քանի որ մագնիսական դաշտը վեկտորական մեծություն է, այն նկարագրելու համար անհրաժեշտ է իմանալ երկու հատկություն՝ ուղղությունն ու մեծությունը։
Հեշտ է պարզել ուղղությունը։ Կարող ենք օգտվել մագնիսական կողմնացույցից, որի սլաքը դասավորվում է մագնիսական ինդուկցիայի գծի ուղղությամբ։ Մագնիսական կողմնացույցները 11-րդ դարից օգտագործվել են նավարկությունների ժամանակ (Երկրի մագնիսական դաշտի միջոցով)։
Հետաքրքիր է, որ մագնիսական դաշտի (ինդուկցիայի) մեծությունը գտնելն ավելի բարդ է։ Գործնական մագնիսաչափը ի հայտ են եկել միայն 19-րդ դարում։ Մագնիսաչափերից շատերը չափում են մագնիսական դաշտում շարժվող էլեկտրոնի վրա ազդող ուժը։
Փոքր մագնիսկան դաշտի (ինդուկցիայի) ճշգրիտ չափումը հնարավոր դարձավ միայն 1988 թ-ին՝ հատուկ շերտավորված նյութերում հսկա մագնիսակայունության բացահայտումից հետո։ Ֆունդամենտալ ֆիզիկայի այս բացահայտումն անմիջապես իր կիրառությունը գտավ մագնիսական կոշտ սկավառակի արտադրությունում, որն օգտագործվում է համակարգիչներում՝ տվյալների պահպանման համար։ Ընդամենը մի քանի տարի անց, այս տեխնոլոգիայի ներդրումը նպաստեց պահեստային հզորության հազար անգամ ավելացմանը (0,1-ից 100 Գ, բ, ի, թ, slash, դ, յ, ո, ւ, յ, մ, squared 1991-2003 թթ. [2]). Այս բացահայտման համար 2007 թ. Ալբերտ Ֆերտն ու Պիտեր Գրյունբերգը արժանացան Ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակի։
Միավորների ՄՀ—ում, մագնիսկան դաշտը (ինդուկցիան) չափվում է տեսլայով (կրճատ միավորը՝ Տ, ի պատիվ Նիկոլա Տեսլայի)։ Տեսլան ցույց է տալիս, թե ինչքան ուժ է ազդում մագնիսական դաշտում շարժվող լիցքի վրա։ Սառնարանի փոքր մագնիսը ստեղծում է մոտավորապես 0, comma, 001, space, Տ մագնիսական ինդուկցիայով դաշտ, և Երկրի մագնիսական դաշտի ինդուկցիան մոտավորապես 5, dot, 10, start superscript, minus, 5, end superscript, space, Տ է։ Գործածվում է նաև այլ չափման միավոր՝ Գաուս (կրճատ միավորը՝ Գ)։ Գոյություն ունի պարզ փոխակերպման գործակից՝ 1, space, Տ, equals, 10, start superscript, 4, end superscript, space, Գ։ Գաուսը հաճախ է կիրառվում, քանի որ Տեսլան շատ մեծ դաշտ է նկարագրում։
Մագնիսական դաշտի ինդուկցիան նշանակում են B տառով։ Կարելի է նաև հանդիպել մեկ այլ մեծության, որը կոչվում է մագնիսական դաշտի լարվածություն և նշանակվում է H տառով։ B-ն և H-ը չափվում են նույն միավորներով, սակայն H-ը նկարագրում է մագնիսական նյութերում կենտրոնացած մագնիսական դաշտի էֆեկտը։ Օդում տեղի ունեցող պարզ խնդիրների համար այս տարբերակումն անելու կարիքը չկա։

Ինչն է առաջացնում մագնիսական դաշտ

Շարժվող լիցքն առաջացնում է մագնիսական դաշտ։ Երբ ավելի շատ լիցք է դրվում ավելի շատ շարժման մեջ, մագնիսական դաշտի լարվածությունը մեծանում է։
Մագնիսականությունն ու մագնիսական դաշտը բնության չորս հիմնարար ուժերից մեկի՝ էլեկտրոմագնիսական ուժի մի մասն է։
Կան երկու հիմնական ձևեր լիցքերին շարժման մեջ դնելու և մագնիսական դաշտ ստեղծելու համար.
  1. Կարող ենք էլեկտրական հաղորդալարի միջով հոսանքի ուժ ստեղծել՝ օրինակ այն միացնելով մարտկոցին։ Երբ մեծացնում ենք հոսանքի ուժը (շարժման մեջ գտնվող լիցքի քանակը), մագնիսական դաշտը (ինդուկցիան) մեծանում է համապատասխանաբար։ Հաղորդալարից հեռանալով՝ տեսնում ենք, որ դաշտը փոքրանում է հեռավորության մեծացմանը զուգընթաց։ Սա բնութագրվում է Ամպերի օրենքով։ Երկար ուղիղ I հոսանքի ուժով հաղորդչի ստեղծած մագնիսական դաշտը (դաշտի ինդուկցիան) r հեռավորության վրա տրվում է հետևյալ բանաձևով.
B, equals, start fraction, mu, start subscript, 0, end subscript, I, divided by, 2, pi, r, end fraction
mu, start subscript, 0, end subscript մեծությունը կոչվում է մագնիսական հաստատուն կամ վակուումային թափանցելիություն։ mu, start subscript, 0, end subscript, equals, 4, pi, dot, 10, start superscript, minus, 7, end superscript, space, Տ, dot, մ, slash, Ա։ Որոշ նյութեր ունեն մագնիսական դաշտերը կենտրոնացնելու հատկություն, դրանք ունեն ավելի մեծ թափանցելիություն։
Քանի որ մագնիսական դաշտը վեկտորական է, անհրաժեշտ է իմանալ նաև նրա ուղղությունը։ Ուղիղ հաղորդչով հոսող սովորական հոսանքի ուժի համար այն կարող ենք գտնել աջ ձեռքի կանոնով։ Ըստ այդ կանոնի, եթե աջ ձեռքով բռնենք հաղորդալարն այնպես, որ բութ մատն ուղղված լինի հոսանքի ուժի ուղղությամբ, ապա հաղորդալարի շուրջ չորս մատները ցույց կտան մագնիսական դաշտի (ինդուկցիայի) ուղղությունը։
Տրված հոսանքի ուժի ուղղության համար աջ ձեռքի կանոնը մագնիսական դաշտը (ինդուկցիա B) որոշելու համար։ [3]
Նկար 4. Տրված հոսանքի ուժի ուղղության համար աջ ձեռքի կանոնը մագնիսական դաշտի (ինդուկցիա B) ուղղությունը որոշելու համար։ [3]
  1. Մենք կարող ենք օգտվել այն փաստից, որ էլեկտրոնները (որոնք լիցքավորված են) պտտվում են ատոմի միջուկի շուրջը։ Այսպես են գործում մշտական մագնիսները։ Մեր փորձառությունից գիտենք, որ միայն որոշ «հատուկ» նյութեր կարող են մագնիս դառնալ, և որ որոշ մագնիսներ շատ ավելի ուժեղ են մյուսներից։Հետևաբար որոշակի հատուկ պայմաններ պիտի գործեն։
  • Չնայած որ ատոմները հաճախ շատ էլեկտրոններ են ունենում, դրանք հաճախ «զուգավորվում» են այնպես, որ զույգի մագնիսական դաշտը զրո է։ Այս ձևով զուգավորված էլեկտրոններն ունեն հակառակ սպին։ Այսինքն՝ որպեսզի որևէ նյութ լինի մագնիսական, ապա նրա ատոմներում նույն սպինով մեկ կամ մի քանի էլեկտրոններ պետք է զուգավորված չլինեն։ Օրինակ՝ երկաթը «հատուկ» նյութ է, որն ունի այդպիսի չորս էլեկտրոն և, հետևաբար, պիտանի է մագնիս դառնալու համար։
    • Նույնիսկ նյութի շատ փոքրիկ կտորը պարունակում է միլիարդավոր ատոմներ։ Եթե դրանք պատահականորեն են դասավորված, ապա ընդհանուր դաշտը կրճատվում է՝ անկախ նրանից, թե քանի չզուգավորված էլեկտրոն կա։ Որոշակի դասավորություն ունենալու համար նյութը սենյակային ջերմաստիճանում պետք է բավականին կայուն լինի։ Եթե այդ կայունությունը մշտական է, ապա կունենաք մշտական մագնիս, որն անվանում են ֆերոմագնիս։
    • Որոշ նյութեր արտաքին մագնիսական դաշտում կարող են դրսևորել բավականաչափ դասավորվածություն և լինել մագնիսական։ Արտաքին դաշտը դասավորում է էլեկտրոնների սպինները, որը սակայն անհետանում է, երբ դաշտն անջատվում է։ Այս տիպի նյութերը կոչվում են պարամագնիսներ։
      Սառնարանի դռան երկաթը պարամագնիսի օրինակ է։ Սառնարանի դուռը մագնիս չէ, սակայն երբ մագնիսը ամրացնում ենք նրան, այն իրեն պահում է որպես այդպիսին։ Մագնիսն ու դուռն իրար այնքան ուժեղ են ձգում, որ հեշտությամբ հնարավոր է լինում դրանց արանքում տեղադրել առևտրի ցուցակը։

Կրճատելով Երկրի մագնիսական դաշտը

Նկար 5-ում պատկերված է կողմնացույց՝ տեղադրված ուղղահայաց հոսանքակիր հաղորդալարի կողքին։ Երբ հոսանքի ուժը հաղորդչում զրո է, կողմնացույցի սլաքի ուղղությունը դեպի հյուսիս է՝ պայմանավորված Երկրի մագնիսական դաշտով։ (Ենթադրենք՝ Երկրի մագնիսական դաշտը dot, 10, start superscript, minus, 5, end superscript, space, Տ է)։
Նկար 5. Կողմնացույցի և հաղորդալարի փորձ (տեսքը՝ վերևից, հոսանքի ուժը զրո է)։
Նկար 5. Կողմնացույցի և հաղորդալարի փորձ (տեսքը՝ վերևից, հոսանքի ուժը զրո է)։
Վարժություն 1ա.
Ի՞նչ հոսանքի ուժ (մեծությունը և ուղղությունը) անհրաժեշտ կլինի Երկրի մագնիսական դաշտը կրճատելու և կողմնացույցին «շփոթեցնելու» համար։
Վարժություն 1բ.
Ենթադրենք՝ մեր էլեկտրամատակարարումը սահմանափակված է մինչև 1, comma, 25, space, Ա։ Կարո՞ղ եք փորձի մեկ այլ տարբերակ առաջարկել, որը կողմնացույցի վրա կթողնի նույն ազդեցությունը։

Հղումներ

[1] Newton Henry Black, Harvey N. Davis (1913) Practical Physics, The MacMillan Co., USA, p. 242, fig. 200 (հանրային տիրույթ)
[2] UK Success Stories in Industrial Mathematics. Philip J. Aston, Anthony J. Mulholland, Katherine M. M. Tant. Springer, Feb 4, 2016
[3] Սա ֆայլ է Wikimedia Commons-ից: Այս ֆայլը արտոնագրված է Creative Commons Attribution-Share Alike-ի ներքո 4.0 International, 3.0 Unported, 2.5 Generic, 2.0 Generic and 1.0 Generic license.