Магнитные силы и диполи

Магнитные поля оказывают силы на движущиеся заряды и токи, а также крутящие моменты, которые выравнивают магнитные диполи.

Definition

Магнитная сила — это зависящая от скорости часть силы Лоренца, действующая на движущиеся заряды и токи; магнитный диполь, характеризующийся своим дипольным моментом, испытывает крутящий момент, стремящийся выровнять его с полем, и силу в неоднородном поле.

Scope

Эта тема охватывает магнитную часть силы Лоренца, действующую на движущиеся заряды, силу и крутящий момент, действующие на проводники с током, магнитный дипольный момент и его энергию, силу и крутящий момент в поле, а также поле, создаваемое диполем. Она включает объяснение того, почему магнитная сила не совершает работы, и дипольное приближение для удаленных токовых петель.

Core questions

• Как магнитное поле отклоняет движущиеся заряды и проводники с током?
• Почему магнитная сила не совершает работы над точечным зарядом?
• Как магнитные диполи реагируют на однородные и неоднородные поля?

Key concepts

• сила Лоренца
• циклотронное движение
• сила, действующая на ток
• магнитный дипольный момент
• крутящий момент, действующий на диполь
• дипольное поле

Key theories

Сила Лоренца (магнитная часть)

Заряд, движущийся в магнитном поле, испытывает силу, перпендикулярную как его скорости, так и полю, что вызывает круговое или спиральное движение; поскольку она всегда перпендикулярна скорости, магнитная сила не совершает работы.

Магнитный диполь в поле

Токовая петля ведет себя как магнитный диполь, который испытывает крутящий момент, выравнивающий его с полем, и, в неоднородном поле, результирующую силу; его удаленное поле имеет универсальную дипольную форму.

Clinical relevance

Магнитные силы приводят в действие электродвигатели, масс-спектрометры, циклотроны и датчики Холла, в то время как взаимодействия магнитных диполей лежат в основе поведения компаса, магнитного резонанса и выравнивания магнитных материалов.

History

Ампер описал силы между токами в 1820-х годах и смоделировал магнетизм как возникающий из циркулирующих токов. Зависящая от скорости сила, действующая на заряды, была уточнена Лоренцем около 1900 года, завершив классическую картину, позже названную силой Лоренца.

Key figures

• Hendrik Lorentz
• André-Marie Ampère
• Michael Faraday

Seminal works

• jackson1998
• griffiths2017

Frequently asked questions

Почему магнитная сила не совершает работы?

Магнитная сила, действующая на заряд, всегда перпендикулярна его скорости, поэтому она изменяет направление движения, но не скорость, и, следовательно, не передает энергию заряду.

Что такое магнитный дипольный момент?

Это вектор, характеризующий малую токовую петлю или магнит, равный произведению тока на площадь петли для петли; он определяет крутящий момент, который объект испытывает в поле, и силу дипольного поля, которое он создает.