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物理学

学習目標

このセクションの最後までに、次のことができます。

  • 運流導体に対する磁力の影響について説明します。
  • 電流を流す導体の磁力を計算します。
通常電荷は導体から逃れることができないため、導体内を移動する電荷に対する磁力は導体自体に伝達されます。,

図1. 磁場は、右手の法則1によって与えられた方向(個々の移動電荷の方向と同じ方向)に電流運送ワイヤに力を及ぼす。 典型的な電流は非常に多数の移動電荷で構成されるため、この力はワイヤを移動させるのに十分な大きさにすることが容易にできます。

個々の電荷に対する磁力の合計を取ることによって、電流に対する磁力の式を導くことができます。, (彼らは同じ方向にあるので、力が追加されます。)ドリフト速度vdで移動する個々の電荷に対する力は、F=qvdB sinθによって与えられます。 Bがワイヤlの長さにわたって均一であり、他の場所でゼロであるとすると、ワイヤ上の総磁力はF=(qvdB sinθ)(N)であり、ここでNは長さlのワイヤのセクション内の電荷キャリアの数である。N=nV、ここでnは単位体積あたりの電荷キャリアの数であり、Vはフィールド内のワイヤの体積である。 ここで、Aはワイヤの断面積であり、ワイヤ上の力はF=(qvdB sinθ)(nAl)であることに注意してください。, 用語を収集、

F=(nqav_{\テキスト{d}})lB\罪\シータ\。

nqAvd=I(電流を参照)なので、

F=IlB\sin\theta\\

は、図2に示すように、均一な磁場Bで電流Iを運ぶワイヤの長さlに対する磁力の式です。 この式の両側をlで割ると、一様磁場におけるワイヤの単位長さ当たりの磁力は\frac{F}{l}=IB\sin\theta\\であることがわかります。 この力の方向はRHR-1によって与えられ、親指は現在のIの方向にあります。, 次に、指をBの方向にして、手のひらに垂直なaは、図2のようにFの方向を指します。

図2. 磁場中の電流搬送ワイヤ上の力は、F=IlB sinθである。 その方向はRHR-1によって与えられます。

電気エネルギーを仕事に変換するために、電流伝導体の磁力が使用されます。 (モーターは代表的な例です—彼らはワイヤのループを採用し、次のセクションで検討されています。,)磁気流体力学(MHD)は、機械部品を動かすことなく磁力が流体をポンプでくむ巧妙な用途に与えられた技術的名前です。 (図3を参照。)

図3. 磁気流体力学 この流体を通過する電流に対する磁力は、非機械的ポンプとして使用することができる。

強い磁場がチューブに印加され、電流がフィールドに直角に流体に流れ、図のようにチューブ軸に平行な流体に力が与えられます。, 可動部分がないことは、いくつかの原子炉で用いられる液体ナトリウムのような、高温で化学的に活性な物質を移動させるためにこれを魅力的にする。 実験的な人工心臓は、おそらく機械ポンプの悪影響を回避し、血液をポンピングするためのこの技術でテストされています。 (しかし、細胞膜はMHDで必要とされる大きな分野の影響を受け、ヒトでの実用化が遅れている。 原子力潜水艦用のMHD推進は,従来のプロペラ駆動よりもかなり静かであることから提案されている。, 原子力潜水艦の抑止力の価値は、第一または第二の核攻撃を隠して生き残る能力に基づいています。 私たちはゆっくりと私たちの核兵器の兵器庫を分解するように、潜水艦の枝は、この能力のために廃止される最後になります(図4を参照してください。)既存のMHDドライブは重くて非効率的であり、多くの開発作業が必要です。

図4. 原子力潜水艦におけるMHD推進システムは、プロペラよりもかなり少ない乱流を生成し、より静かに走ることができます。, サイレントドライブ潜水艦の開発は、本と映画の中で脚色されましたレッドオクトーバーのための狩り。

セクションの概要

  • 電流運送導体に対する磁力は、
    F=IlB\sin\theta\\

    ここで、Iは電流、lは均一な磁場Bにおける直線導体の長さ、θはIとBの間の角度です。力は、親指をIの方向にRHR-1に従います。,

概念的な質問

  1. 電流を運ぶ電子の方向を示す図1の状況のスケッチを描き、RHR-1を使用してワイヤ上の力の方向を確認します。
  2. 図3のようなMHDドライブ内の力の方向が、流体全体に電流を運ぶ電荷の符号に依存しないことを確認します。
  3. なぜ磁気流体力学ドライブは淡水よりも海洋水でうまく機能するのでしょうか? また、なぜ超電導磁石が望ましいのでしょうか?,li>
  4. あなたの車を始めるときにコンパスの読み取り、冷蔵庫のAC電流、またはDC電流を妨げる可能性が高いのはどれですか? 説明しろ

問題&演習

1. 図5の六つのケースのそれぞれにおける電流に対する磁力の方向は何ですか?

図5.

2., 電流がBに垂直に流れると仮定して、図6の三つのケースのそれぞれに示されている磁力を経験する電流の方向は何ですか?

図6.

3. Bがiに垂直であると仮定して、図7の三つのケースのそれぞれの電流に示されている磁力を生成する磁場の方向は何ですか?,

図7.

4. (a)地球の20,000×3.00-Tフィールドに垂直な赤道での稲妻のメートル当たりの力は何ですか? (b)電流がまっすぐ上にあり、地球の磁場の方向が地面に平行な真北である場合、力の方向はどうなりますか?

5. (a)ライトレールシステムのためのDC電源ラインは1000aを地球の30ºの角度で5.00×10-5-T分野に運ぶ。, このラインの100-mセクションの力は何ですか? (b)もしあれば、これが提示する実用的な懸念について議論する。

6. 直径25.0cmのチューブを利用したMHDドライブでは、100Aの電流が2.00Tの磁場に垂直なチューブを横切って流れる場合、どのような力が水にかかりますか? (この力の比較的小さいサイズは、実用的なMHDドライブを作るために非常に大きな電流と磁場が必要であることを示しています。)

7. 30を運ぶワイヤー。,0-磁場に垂直な強力な磁石の極間を電流が流れ、磁場の2.16cmのワイヤに4.00Nの力がかかります。 平均フィールド強度は何ですか?

8. (a)車の始動機モーターに流れを運ぶケーブルの0.750m長いセクションは60ºの地球の5.50×10-5のT分野との角度を作ります。 ワイヤが7.00×10-3Nの力を受けたときの電流は何ですか? (b)強い馬蹄形磁石の極間にワイヤを走らせ、その5.00cmを1.75-Tの磁場にさらすと、このワイヤセグメントにどのような力が加えられますか?,

9. (a)8.00-Aの電流を流すワイヤと1.20-Tの磁場との間の角度は、ワイヤの50.0cmが2.40nの磁力を経験する場合にどのようになりますか? (b)フィールドで90°の角度を作るために回転した場合、ワイヤ上の力は何ですか?

10. 図8の磁界中のワイヤの矩形ループ上の力は、電界強度を測定するために使用することができます。 フィールドは一様であり、ループの平面はフィールドに対して垂直である。 (a)ループ上の磁力の方向は何ですか?, ループの両側の力が等しく反対であり、ループのどのくらいの量がフィールドにあり、ループ上の正味の力に影響を与えないという主張を正当化する。 (b)5.00Aの電流が使用されている場合、20.0cm幅のループ上のteslaあたりの力は何ですか?

図8. 電流を流すワイヤの長方形のループは、磁場に垂直である。 フィールドは、示された領域で一様であり、その領域の外側ではゼロである。,