Μαγνητικό πεδίο

Το μαγνητικό πεδίο B ασκεί δύναμη σε κινούμενα φορτία και ρεύματα. Για ένα μόνο φορτίο η μαγνητική δύναμη είναι κάθετη τόσο στην ταχύτητα όσο και στο πεδίο, γι’ αυτό από μόνη της δεν αλλάζει την κινητική ενέργεια του σωματιδίου.

Κεντρική σχέση: F = |q|vB sin θ; F = ILB sin θ
vBF=qvB sinθ

Διαδραστικός υπολογισμός

Μοντέλο και κεντρική σχέση

Το μέτρο της δύναμης είναι F=|q|vB sinθ. Η φορά προκύπτει από το διανυσματικό γινόμενο q v×B και αντιστρέφεται για αρνητικό φορτίο.

Η σχέση πρέπει πάντα να διαβάζεται μαζί με τις υποθέσεις της. Οι μονάδες SI, η κατεύθυνση των διανυσμάτων και η επιλογή του συστήματος αναφοράς δεν είναι λεπτομέρειες: καθορίζουν τι ακριβώς υπολογίζεται και αν η εξίσωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί χωρίς πρόσθετους όρους.

Φυσική σημασία

Όταν v είναι κάθετη στο ομογενές B, η δύναμη λειτουργεί ως κεντρομόλος και η τροχιά είναι κυκλική με r=mv/(|q|B). Παράλληλη συνιστώσα της ταχύτητας οδηγεί σε ελικοειδή τροχιά.

Η φυσική εικόνα είναι πιο χρήσιμη από την απομνημόνευση. Ρωτάμε ποιο μέγεθος μεταφέρει ενέργεια ή ορμή, ποια αλληλεπίδραση δημιουργεί την απόκριση και ποια συμμετρία επιτρέπει να απλοποιηθεί το πρόβλημα. Έτσι το πρόσημο και η τάξη μεγέθους αποκτούν σαφή σημασία.

Τι μεταβάλλει το αποτέλεσμα

Σε ευθύγραμμο αγωγό μήκους L με ρεύμα I, F=ILB sinθ. Αυτή η μακροσκοπική σχέση προκύπτει από το άθροισμα των δυνάμεων Lorentz στους φορείς φορτίου.

Μια καλή ποσοτική ανάλυση εξετάζει πρώτα τις αναλογίες. Αν ένα μήκος διπλασιαστεί, αν η μάζα αυξηθεί ή αν αλλάξει μια ένταση, η εξίσωση δείχνει αμέσως αν το αποτέλεσμα μεταβάλλεται γραμμικά, τετραγωνικά ή αντιστρόφως. Αυτό είναι ισχυρός έλεγχος πριν από κάθε αριθμητική πράξη.

Όρια και μέτρηση

Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου σχηματίζουν κλειστούς βρόχους και δεν έχουν παρατηρηθεί μεμονωμένοι μαγνητικοί πόλοι. Η μαγνητική ροή και ο νόμος Faraday συνδέουν μεταβαλλόμενο B με επαγόμενο ηλεκτρικό πεδίο.

Τα πραγματικά συστήματα έχουν απώλειες, ανομοιογένειες και όρια κλίμακας. Η μέτρηση πρέπει να συνοδεύεται από αβεβαιότητα και από έλεγχο του αν η ιδανική προσέγγιση παραμένει έγκυρη. Μια μικρή απόκλιση μπορεί να είναι φυσική συνέπεια του μοντέλου και όχι λάθος υπολογισμού.

Ερμηνεία και εφαρμογή

Στην πράξη η μονάδα είναι tesla. Η γεωμετρία έχει καθοριστικό ρόλο: αν v είναι παράλληλη στο B, sinθ=0 και η μαγνητική δύναμη στο φορτίο μηδενίζεται παρότι το πεδίο υπάρχει.

Στην εφαρμογή, ελέγχουμε το αποτέλεσμα με τρεις τρόπους: διαστάσεις, πρόσημο και οριακή συμπεριφορά. Αν μια παράμετρος τείνει στο μηδέν ή γίνεται πολύ μεγάλη, η πρόβλεψη πρέπει να παραμένει φυσικά λογική. Αυτός ο έλεγχος συχνά εντοπίζει λάθη γρηγορότερα από μια επανάληψη της αριθμητικής.

Ασκήσεις με λύση

Άσκηση 1

Υπολογίστε: χρησιμοποιήστε F=|q|vB sinθ. Δεδομένα: q=1,60×10⁻¹⁹ C, v=2,0×10⁶ m·s⁻¹, B=0,20 T, θ=90°.

Λύση: F≈6,4×10⁻¹⁴ N

Άσκηση 2

Υπολογίστε: χρησιμοποιήστε F=|q|vB sinθ. Δεδομένα: θ=0°.

Λύση: F=0

Άσκηση 3

Υπολογίστε: χρησιμοποιήστε F=|q|vB sinθ. Δεδομένα: v → 2v, θ=90°.

Λύση: F → 2F