science >> Wetenschap >  >> Fysica

Rechterhandregel (natuurkunde): richting van magnetische krachten

Bepalen van de richting waarin magnetische krachten werken kan lastig zijn. Inzicht in de rechterhandregel maakt dit eenvoudiger.
Magnetische krachten

De Lorentz-krachtwet relateert een magnetisch veld aan de kracht die wordt gevoeld door een bewegende elektrische lading of stroom die het tegenkomt. Deze wet kan worden uitgedrukt als een vectorkruisproduct:

F \u003d qv × B

tegen betaling q
(in coulombs, C) beweegt met snelheid v
(in meters per seconde, m /s) in een magnetisch veld B
(gemeten in teslas, T). De SI-eenheid van kracht is de newton (N).

Voor een verzameling bewegende ladingen, een stroom, kan deze in plaats daarvan worden uitgedrukt als F \u003d I × B, waarbij stroom I
is gemeten in ampères (A).

De richting van de kracht die inwerkt op de lading of de stroom in een magnetisch veld wordt bepaald door de rechterhandregel. Omdat kracht een vector is, zijn de omvang en richting van de wet, als de termen in de wet niet haaks op elkaar staan, een component van de gegeven vectoren. In dit geval is enige trigonometrie nodig.
Vectorkruisproducten en de rechterregel

De algemene formule voor een vectorkruisproduct is:

a × b \u003d |

een |

 |

b |

 sin (θ) n

  • |

    een |

     is de grootte (lengte) van vector a

  • |

    b |

     is de grootte (lengte) van vector b

  • θ is de hoek tussen a en b
  • n is de eenheidsvector loodrecht op zowel a als b

    [ondersteunend diagram invoegen]

    Als vector a en vector b zich in een vlak bevinden, kan de resulterende richting van het kruisproduct (vector c) op twee manieren loodrecht zijn: naar boven of naar beneden vanaf dat vlak (wijzend erin of eruit). In een Cartesiaans coördinatensysteem is dit een andere manier om de z-richting te beschrijven wanneer vectoren a en b in het xy-vlak liggen.

    In het geval van de Lorentz-krachtwet is vector a ofwel de ladingsnelheid < em> v
    of de huidige I
    , vector b is het magnetische veld B
    en vector c is de kracht F.

    Dus hoe weet een natuurkundige of de resulterende krachtvector omhoog of omlaag wijst, in of uit het vlak, of in de positieve of negatieve z-richting, afhankelijk van de woordenschat die ze wil gebruiken? Eenvoudig: ze gebruikt de rechterhandregel:

    1. Richt de wijsvinger van uw rechterhand op vector a, de richting van de stroom of de snelheid van de lading.

    2. Richt de middelvinger van uw rechterhand langs vector b, in de richting van het magnetische veld.

    3. Kijk waar de duim wijst. Dit is de richting van vector c, het kruisproduct en de resulterende kracht.

      Merk op dat dit alleen werkt tegen een positieve vergoeding. Als de lading of stroom negatief is, zal de kracht feitelijk in de tegengestelde richting zijn van waar de duim naar wijst. De magnitude
      van het kruisproduct verandert echter niet. (Als alternatief kan het gebruik van de linkerhand met een negatieve lading of stroom ertoe leiden dat de duim in de juiste richting van de magnetische kracht wijst.)
      Voorbeelden

      Een conventionele stroom van 20 A stroomt in een rechte draad onder een hoek van 15 graden door een magnetisch veld van 30 T. Welke kracht ervaart het?

      F \u003d I × B sin (θ)

      F \u003d (20 A) (30 T) sin (15) \u003d 155.29 N naar buiten (positieve z-richting ).

      Merk op dat de richting van de magnetische kracht loodrecht blijft op het vlak dat zowel de stroom als het magnetische veld bevat; de hoek tussen die twee die verschilt van 90 graden, verandert alleen de grootte van de kracht.

      Dit verklaart ook waarom de sinusterm kan worden weggelaten wanneer het vectorkruisproduct voor loodrechte vectoren is (omdat sin (90) \u003d 1) en ook waarom een lading of stroom die parallel aan een magnetisch veld beweegt, geen kracht ondervindt (omdat sin (0) \u003d 0)!