Articles

fizică

by admin

obiective de învățare

până la sfârșitul acestei secțiuni, veți putea:

  • descrie efectele unei forțe magnetice asupra unui conductor purtător de curent.
  • calculați forța magnetică pe un conductor care transportă curent.deoarece încărcările de obicei nu pot scăpa de un conductor, forța magnetică a încărcărilor care se deplasează într-un conductor este transmisă conductorului însuși.,

Figura 1. Câmpul magnetic exercită o forță asupra unui fir care transportă curent într-o direcție dată de regula 1 a mâinii drepte (aceeași direcție ca și cea a sarcinilor individuale în mișcare). Această forță poate fi ușor suficient de mare pentru a muta firul, deoarece curenții tipici constau în număr foarte mare de încărcături în mișcare.

putem obține o expresie pentru forța magnetică pe un curent luând o sumă a forțelor magnetice pe sarcini individuale., (Forțele Adaugă pentru că sunt în aceeași direcție.) Forța asupra unei sarcini individuale care se deplasează la viteza de derivă vd este dată de F = qvdb sin θ. Luând B să fie uniformă pe o lungime de fir l și zero în altă parte, numărul total de forță magnetică pe firul este atunci F = (qvdB sin θ)(N), unde N este numărul de purtători de sarcină în secțiunea de fir de lungime l. Acum, N = nV, unde n este numărul de purtători de sarcină pe unitatea de volum și V este volumul de sârmă în domeniu. Observând că V = Al, unde A este aria secțiunii transversale a firului, atunci forța pe fir este F = (qvdB sin θ) (nAl)., Colectarea termeni,

F=(nqAv_{\text{d}})lB\sin\theta\\.

Pentru nqAvd = I (a se vedea de Curent),

F=Iib\sin\theta\\

este ecuația pentru forța magnetică pe o lungime l de cablu care transportă un curent într-un câmp magnetic uniform B, ca în Figura 2. Dacă împărțim ambele părți ale acestei expresii cu l, descoperim că forța magnetică pe unitatea de lungime a firului într-un câmp uniform este \frac{F}{l}=IB\sin\theta\\. Direcția acestei forțe este dată de RHR-1, cu degetul mare în direcția curentului I., Apoi, cu degetele în direcția B, a perpendicular pe punctele palmei în direcția F, ca în Figura 2.

Figura 2. Forța pe un fir care transportă curent într-un câmp magnetic este F = ILB sin θ. Direcția sa este dată de RHR-1.

forța magnetică a conductorilor purtători de curent este utilizată pentru a converti energia electrică la lucru. (Motoarele sunt un prim exemplu—folosesc bucle de sârmă și sunt luate în considerare în secțiunea următoare.,) Magnetohidrodinamica (MHD) este denumirea tehnică dată unei aplicații inteligente în care forța magnetică pompează fluide fără a mișca piese mecanice. (A Se Vedea Figura 3.)

Figura 3. Magnetohidrodinamica. Forța magnetică a curentului trecut prin acest fluid poate fi utilizată ca pompă nemecanică.

un câmp magnetic puternic este aplicat pe un tub și un curent este trecut prin fluid în unghi drept față de câmp, rezultând o forță asupra fluidului paralel cu axa tubului, așa cum se arată., Absența pieselor în mișcare face ca acest lucru să fie atractiv pentru deplasarea unei substanțe fierbinți, chimic active, cum ar fi sodiul lichid utilizat în unele reactoare nucleare. Inimile artificiale experimentale testează cu această tehnică pomparea sângelui, probabil eludând efectele adverse ale pompelor mecanice. (Membranele celulare, totuși, sunt afectate de câmpurile mari necesare în MHD, întârziind aplicarea sa practică la om.) A fost propusă propulsia MHD pentru submarine nucleare, deoarece ar putea fi considerabil mai silențioasă decât acționările convenționale cu elice., Valoarea descurajantă a submarinelor nucleare se bazează pe capacitatea lor de a ascunde și de a supraviețui unei prime sau a doua lovituri nucleare. Pe măsură ce dezasamblam încet arsenalele noastre de arme nucleare, ramura submarină va fi ultima care va fi dezafectată din cauza acestei abilități (a se vedea Figura 4.) Unitățile MHD existente sunt grele și ineficiente—este nevoie de multă muncă de dezvoltare.

Figura 4. Un sistem de propulsie MHD într-un submarin nuclear ar putea produce turbulențe semnificativ mai mici decât elicele și i-ar permite să funcționeze mai silențios., Dezvoltarea unui submarin silent drive a fost dramatizată în carte și în filmul The Hunt for Red October.

Secțiunea Rezumat

  • forța magnetică pe conductoare de curent care transportă este dat de
    F=Iib\sin\theta\\

    în cazul în care nu este curent, l este lungimea unui drept conductor într-un câmp magnetic uniform B, și θ este unghiul dintre I și B. forța urmează RHR-1 cu degetul mare în direcția lui I.,

întrebări conceptuale

  1. desenați o schiță a situației din Figura 1 care arată direcția electronilor care transportă curentul și utilizați RHR-1 pentru a verifica direcția forței pe fir.
  2. verificați dacă direcția forței într-o unitate MHD, cum ar fi cea din Figura 3, nu depinde de semnul încărcărilor care transportă curentul peste fluid.
  3. De ce ar funcționa o unitate magnetohidrodinamică mai bine în apa oceanului decât în apa dulce? De asemenea, de ce ar fi de dorit magneții superconductori?,
  4. care este mai probabil să interfereze cu citirile busolei, curentul alternativ din frigider sau curentul DC atunci când porniți mașina? Explică.

Probleme & Exerciții

1. Care este direcția forței magnetice asupra curentului în fiecare dintre cele șase cazuri din Figura 5?

Figura 5.

2., Care este direcția unui curent care experimentează forța magnetică prezentată în fiecare dintre cele trei cazuri din Figura 6, presupunând că curentul rulează perpendicular pe B?

Figura 6.

3. Care este direcția câmpului magnetic care produce forța magnetică indicată pe curenți în fiecare dintre cele trei cazuri din Figura 7, presupunând că B este perpendicular pe I?,

Figura 7.

4. (a) care este forța pe metru pe un fulger la ecuator care transportă 20,000 a perpendicular pe câmpul 3.00 × 10-5-T al Pământului? (b) care este direcția forței dacă curentul este drept în sus și direcția câmpului Pământului este spre nord, paralel cu solul?

5. (a) o linie de curent continuu pentru un sistem cu șină ușoară transportă 1000 A la un unghi de 30º față de câmpul 5.00 × 10-5-T al Pământului., Care este forța pe o secțiune de 100 m a acestei linii? (b) să discute problemele practice pe care le prezintă, dacă este cazul.

6. Ce forță este exercitată asupra apei într-o unitate MHD utilizând un tub cu diametrul de 25,0 cm, dacă curentul 100-A este trecut peste tubul care este perpendicular pe un câmp magnetic de 2,00-T? (Dimensiunea relativ mică a acestei forțe indică necesitatea curenților foarte mari și a câmpurilor magnetice pentru a face acționări MHD practice.)

7. Un fir care transportă un 30.,0-un curent trece între polii unui magnet puternic care este perpendicular pe câmpul său și experimentează o forță 2.16-N pe 4.00 cm de sârmă în câmp. Care este intensitatea medie a câmpului?

8. (a) o secțiune lungă de 0.750 m de cablu care transportă curent la un motor de pornire auto face un unghi de 60º cu câmpul 5.50 × 10-5 t al Pământului. Care este curentul când firul are o forță de 7,00 × 10-3 n? (b) ce forță se exercită asupra acestui segment de sârmă dacă rulați firul între stâlpii unui magnet puternic de potcoavă, supunând 5,00 cm din El unui câmp de 1,75 t?,

9. (a) care este unghiul dintre un fir care poartă un curent de 8,00-a și câmpul de 1,20-T în care se află dacă 50,0 cm din fir prezintă o forță magnetică de 2,40 n? (b) care este forța pe fir dacă este rotită pentru a face un unghi de 90º cu câmpul?

10. Forța pe bucla dreptunghiulară a firului în câmpul magnetic din Figura 8 poate fi utilizată pentru a măsura intensitatea câmpului. Câmpul este uniform, iar planul buclei este perpendicular pe câmp. (a) care este direcția forței magnetice pe buclă?, Justificați afirmația că forțele de pe laturile buclei sunt egale și opuse, independente de cât de mult din buclă este în câmp și nu afectează forța netă pe buclă. (b) dacă se utilizează un curent de 5,00 A, care este forța pe tesla pe bucla de 20,0 cm lățime?

Figura 8. O buclă dreptunghiulară de sârmă care poartă un curent este perpendiculară pe un câmp magnetic. Câmpul este uniform în regiunea indicată și este zero în afara acelei regiuni.,