Z ELEMENTUM przez magnetyzm, czyli jak przyciągnąć dobre odpowiedzi.

Magnetyzm – jak rozwiązywać prawidłowo zadania z magnetyzmu?

 

Wielu uczniów ma problem z działem fizyki jakim jest magnetyzm. Ten artykuł ma celu przybliżyć wam prawa i zjawiska związane z magnetyzmem.

Pierwszą trudność stanowi wyjaśnienia sensu istnienia pola magnetycznego. Tak jak źródłem pola grawitacyjnego jest masa, źródłem pola elektrycznego jest ładunek, tak pole magnetyczne jest bez źródłowe. Stałe pole magnetyczne powstaje w skutek jednostajnego ruchu ładunków elektrycznych – przepływ prądu. Pole magnetyczne zmienne powstaje, gdy ruch ładunków elektrycznych jest zmienny, a także na skutek działania zmiennego pola elektrycznego Właściwościami magnetycznymi cechują się jedynie żelazo, kobalt oraz nikiel, a także stopy zawierające te metale. Dzieje się tak ze względu na budowę tych pierwiastków, w których występuje wypadkowy moment magnetyczny ze względy na niesparowane elektrony.

Ruch ładunków elektrycznych wpływa na indukowanie się pola magnetycznego, ale zaistniałe pole magnetyczne również wpływa na ruch tych ładunków. Ładunek elektryczny w polu magnetycznym podlega działaniu siły Lorentza

Gdzie:

q– ładunek elektryczny [C]

V– prędkość ładunku [m/s]

B– indukcja magnetyczna [T]

α– kąt między kierunkiem wektora prędkości i indukcji magnetycznej

Przedstawiono tutaj mnożenie wektorowe, oznacza to, że wektory tych wielkości fizycznych są do siebie wzajemnie prostopadłe.

Rys.1 W celu określenia kierunku działania Siły Lorentza można użyć lewej dłoni w przypadku ładunków dodatnich lub prawej dłoni w przypadku ładunków ujemnych.

Gdy wektor pola magnetycznego przenika przez wewnętrzną część dłoni, to palce wyznaczają kierunek ruchu cząstki z prędkością V, a prostopadły do nich kciuk wyznacza kierunek działania siły Lorentza.

Siła Lorentza ponieważ jest prostopadle skierowana do kierunku ruchu, pełni rolę siły dośrodkowej. Oznacza to, że spowoduje ruch ładunku elektrycznego po okręgu o promieniu R wokół wektora indukcji magnetycznej B.

Rys.2 Przedstawienie ruchu ładunku elektrycznego po okręgu o promieniu R.

 

Z zależności:

otrzymujemy równanie:

umożliwiając wyznaczenie promienia okręgu, po którym porusza się ładunek elektryczny.

Kolejną problematyczną kwestią jest przypadek, gdy ładunek elektryczny znajduje się nie tylko w polu magnetycznym, ale i elektrycznym. Rozpatrzmy ten problem następującym zadaniem.

Cząstka naładowana ujemnie o ładunku q, wpada między naładowane okładki kondensatora z prędkością V.

Rys.3 Naładowane okładki kondensatora.

Jak dobrze wiemy na ładunek zadziała oddziaływanie Coulomba i ładunek będzie przyciągany przez dodatnio naładowaną okładkę.

Rys.4 Wykonany ruch ładunku pomiędzy okładkami kondensatora.

Pytaniem jest „Czy istnieje możliwość, aby cząstka wydostała się poza okładki kondensatora?”

Odpowiedź brzmi: „Oczywiście, że tak!”

Wystarczy zastosować pierwszą zasadę dynamiki Newtona, czyli zrównoważyć siłę Coulomba inną siłą. Jak się już pewnie domyślacie będzie to siła Lorentza, którą uzyskamy umieszczając okładki kondensatora w polu magnetycznym. Pojawia się jednak pytanie. Jak usytuować bieguny magnetyczne, rysunek 1, czy rysunek 2?

Rys.5 Możliwe ustawienie pola magnetycznego.

Z pomocą przychodzi nam poznana już metoda wyznaczania kierunki siły Lorentza dla ładunku ujemnego, czyli metoda prawej dłoni.

W przedstawionej sytuacji, jeśli FL=Fc cząstka przemieści się między okładkami kondensatora bez zmiany kierunku ruchu.

Dodatkowo możliwym jest wyznaczenie prędkości tej cząstki przy znanych wartościach natężenia pola elektrycznego E oraz indukcji magnetycznej B, ponieważ:

Wynika z tego, że prędkość cząstki znajdującej się w polu magnetycznym i elektrycznym jest wprost proporcjonalna do natężenia pola elektrycznego E i odwrotnie proporcjonalna do indukcji pola magnetycznego B.

Na koniec sprawdźmy jeszcze jednostki,

Zdobytą wiedzę możecie przećwiczyć obliczając następujące zadanie:

Okładki kondensatora naładowane są w sposób przedstawiony na poniższym rysunku. Jak ustawić bieguny pola magnetycznego i jaka musi być wartość indukcji magnetycznej B, aby elektron o prędkości 440 m/s, przeleciał między okładkami kondensatora bez zmiany toru ruchu, gdy działa na niego siła oddziaływania Coulombowskiego.

Jeśli chcesz poznać więcej tajników radzenia sobie z magnetyzmem jak i z pozostałymi dziedzinami wiedzy kryjącymi się w Fizyce lub przygotować się do matury to skorzystaj z zajęć indywidualnych(korepetycje) i odkrywaj królestwo nauki razem z ELEMENTUM.