12.1-Magnetic Field and Field Lines
12.1-Magnetic Field and Field Lines Important Formulae
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The magnetic field is a region around a magnetic material or a moving electric charge within which the force of magnetism acts. Understanding magnetic fields and their representation through field lines is fundamental to the study of magnetism and its applications.
Definition of Magnetic Field
A magnetic field is a vector field that describes the magnetic influence on moving electric charges, electric currents, and magnetic materials. It is denoted by the symbol B and is measured in teslas (T) or gauss (G), where 1 T = 10,000 G.
Sources of Magnetic Fields
Magnetic fields are generated by:
- Permanent Magnets: Materials that maintain a persistent magnetic field due to the alignment of their internal magnetic domains.
- Electric Currents: A magnetic field is produced around a conductor when an electric current flows through it, as described by Ampère’s circuital law.
- Magnetic Materials: Certain materials, like iron, can be magnetized and will generate a magnetic field when exposed to an external magnetic field.
Magnetic Field Lines
Magnetic field lines are a visual representation of the magnetic field. They illustrate the direction and strength of the magnetic field:
- Direction: The direction of the magnetic field lines indicates the direction of the magnetic force. By convention, magnetic field lines emanate from the north pole of a magnet and enter the south pole.
- Density: The density of the lines represents the strength of the magnetic field. Closer lines indicate a stronger magnetic field, while widely spaced lines indicate a weaker field.
Characteristics of Magnetic Field Lines
- They never intersect: Two field lines cannot cross each other; if they did, it would indicate two different directions for the magnetic field at the same point.
- They form closed loops: Magnetic field lines emerge from the north pole and return to the south pole, forming continuous loops.
- Field lines are denser near the poles: This indicates a stronger magnetic field in those regions.
- Outside a magnet, the field lines point away from the north pole and towards the south pole.
Magnetic Field Around a Current-Carrying Conductor
When an electric current flows through a straight conductor, it generates a circular magnetic field around it. The direction of the magnetic field can be determined using the right-hand thumb rule:
- Hold the conductor with your right hand, with your thumb pointing in the direction of the current flow.
- Your curled fingers will indicate the direction of the magnetic field lines encircling the conductor.
Magnetic Field of a Solenoid
A solenoid is a long coil of wire that generates a uniform magnetic field when an electric current passes through it. Key features include:
- Inside the solenoid, the magnetic field lines are parallel, indicating a uniform field strength.
- The direction of the magnetic field inside the solenoid can be determined using the right-hand grip rule, where fingers curl in the direction of current flow, and the thumb points toward the north pole.
- The strength of the magnetic field inside a solenoid can be increased by increasing the number of turns of wire or the current flowing through it.
Applications of Magnetic Fields
Magnetic fields have numerous practical applications, including:
- Electromagnets used in various devices like electric bells, relays, and MRI machines.
- Magnetic storage media such as hard drives.
- Electric motors and generators that rely on magnetic fields to convert electrical energy into mechanical energy and vice versa.
Three different representations of the magnetic field of a cylindrical bar magnet. Left: Iron filings. Center: field lines. Right: compass needles. The shape and direction of the field was accurately computed in all three cases.
Geek3, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons
12.1 - Magnetic Field and Field Lines
मैग्नेटिक फील्ड (चुंबकीय क्षेत्र) और इसके लाइन के बारे में अध्ययन करना विद्युत धारा और चुंबकत्व के बीच संबंध को समझने में मदद करता है। चुंबकीय क्षेत्र एक ऐसा क्षेत्र होता है जिसमें चुंबकीय बल महसूस किया जाता है। यह क्षेत्र किसी भी चुंबक या विद्युत धारा द्वारा उत्पन्न किया जा सकता है।
चुंबकीय क्षेत्र के बारे में कुछ महत्वपूर्ण बातें:
- चुंबकीय क्षेत्र को चुम्बकीय बल द्वारा व्यक्त किया जाता है।
- यह क्षेत्र एक चुंबक के आसपास या विद्युत धारा के चारों ओर मौजूद होता है।
- चुंबकीय क्षेत्र की दिशा चुंबक के उत्तर ध्रुव से दक्षिण ध्रुव की ओर होती है।
- चुंबकीय क्षेत्र का माप चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता से किया जाता है, जिसे \( B \) से व्यक्त किया जाता है।
चुंबकीय क्षेत्र को प्रदर्शित करने के लिए क्षेत्र रेखाएँ (Magnetic Field Lines) उपयोग की जाती हैं। इन रेखाओं के बारे में कुछ विशेषताएँ हैं:
- चुंबकीय क्षेत्र रेखाएँ एक-दूसरे को कभी नहीं काटतीं।
- चुंबकीय क्षेत्र रेखाएँ बाहरी क्षेत्र में उत्तर से दक्षिण की ओर होती हैं और अंदर चुंबक में दक्षिण से उत्तर की ओर होती हैं।
- चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं की घनत्व (density) चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता को व्यक्त करती है। अधिक घनत्व वाली रेखाएँ मजबूत क्षेत्र को दर्शाती हैं।
चुंबकीय क्षेत्र का मान और उसकी दिशा हम विभिन्न विधियों से पता कर सकते हैं।
चुंबकीय क्षेत्र का निर्धारण (Magnetic Field Determination)
चुंबकीय क्षेत्र का मान निकालने के लिए सबसे सामान्य विधि हाथ की अंगुली की विधि (Right Hand Rule) है। यदि हम अपनी दाहिनी हाथ की अंगुलियों को किसी तार में बहती हुई विद्युत धारा के अनुसार घुमाएँ, तो हमारे अंगुलियों की दिशा से चुंबकीय क्षेत्र की दिशा का पता चलता है।
चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता का मान निम्नलिखित सूत्र से दिया जाता है:
$B = \dfrac{\mu_0 I}{2 \pi r}$
यहाँ, \( B \) चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता है, \( \mu_0 \) चुंबकीय क्षेत्र का स्थिरांक है, \( I \) धारा की तीव्रता है, और \( r \) वह दूरी है जो वायर से चुंबकीय क्षेत्र रेखा तक है।
चुंबकीय क्षेत्र की दिशा
चुंबकीय क्षेत्र की दिशा का निर्धारण करने के लिए हम दाहिनी अंगुली के नियम का पालन करते हैं। इसके अनुसार, यदि किसी तार में धारा बह रही हो तो, उस तार के चारों ओर बनने वाला चुंबकीय क्षेत्र उस दिशा में होता है, जिस दिशा में हमारी अंगुलियाँ घुमायी जाती हैं।
उदाहरण के लिए, यदि हम एक सीधी धारा वाले तार के चारों ओर चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं को दिखाना चाहते हैं, तो हम इस नियम का पालन करते हुए उसकी दिशा का निर्धारण कर सकते हैं।
चुंबकीय क्षेत्र और विद्युत धारा के बीच संबंध
विद्युत धारा और चुंबकीय क्षेत्र के बीच संबंध को समझने के लिए ओर्स्टेड के प्रयोग का उल्लेख किया जाता है। ओर्स्टेड ने यह दिखाया कि जब कोई विद्युत धारा एक चालक से बहती है, तो उसके चारों ओर चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न होता है।
इससे यह सिद्ध होता है कि विद्युत धारा चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती है, और चुंबकीय क्षेत्र के कारण चालक में बल भी उत्पन्न होता है।