Hvordan fungerer magnetfelt?

Innhold

• Magnetiske feltvitenskap
• Hvordan bestemmer du magnetfelt?
• Typer magneter
• Magnetisk kraft
• Magnetfelt og elektriske felt
• Korsprodukt av magnetfelt
• Magnetfelt i hverdagen

••• Syed Hussain Ather

Magnetiske felt beskriv hvordan den magnetiske kraften er fordelt gjennom rommet rundt objekter. Generelt, for et objekt som er magnetisk, beveger magnetfeltlinjene fra objektene nordpol til sørpolen, akkurat som de gjør for jordas magnetfelt, som vist i diagrammet over.

Den samme magnetiske kraften som får gjenstander til å feste seg til kjøleskapflater, brukes i jordas magnetfelt som beskytter ozonlaget mot skadelig solvind. Magnetfeltet danner energipakker som forhindrer at ozonlaget mister karbondioksid.

Du kan observere dette ved å helle jernfilinger, små pulverlignende jernstykker, i nærvær av et magnet. Plasser en magnet under et stykke papir eller et lett laken. Hell jernfilingene og observer formene og formasjonene som de tar. Bestem hvilke feltlinjer det måtte være for å få arkivene til å ordne og fordele seg slik i henhold til magnetfeltfysikken.

Jo større tetthet av magnetfeltlinjene trukket fra nord til sør, jo større er magnetfeltets størrelse. Disse nord- og sørpolene dikterer også om magnetiske objekter er attraktive (mellom nord- og sørpolene) eller frastøtende (mellom identiske poler). Magnetiske felt måles i enheter av Tesla, T.

Magnetiske feltvitenskap

Fordi magnetiske felt dannes når ladningene er i bevegelse, induseres magnetiske felt fra elektrisk strøm gjennom ledninger. Feltet gir deg en måte å beskrive potensiell styrke og retning for en magnetisk kraft avhengig av strømmen gjennom en elektrisk ledning og avstanden som strømmen beveger seg. Magnetiske feltlinjer danner konsentriske sirkler rundt ledninger. Retningen til disse feltene kan bestemmes via "høyre-regelen."

Denne regelen forteller deg at hvis du plasserer høyre tommel i retning av elektrisk strøm gjennom en ledning, er de resulterende magnetfeltene i retning av hvordan fingrene til hendene krøller seg. Med større strøm induseres større magnetfelt.

Hvordan bestemmer du magnetfelt?

Du kan bruke forskjellige eksempler på høyre håndregel, en generell regel for å bestemme retningen på forskjellige mengder som involverer magnetfelt, magnetisk kraft og strøm. Denne tommelfingerregelen er nyttig i mange tilfeller innen elektrisitet og magnetisme som diktert av matematikken til mengdene.

••• Syed Hussain Ather

Denne høyre-regelen kan også brukes i den andre retningen for et magnet solenoid, eller en serie elektrisk strøm pakket inn i ledninger rundt en magnet. Hvis du peker høyre tommel i retning av magnetfeltet, vil høyre fingre vikle seg rundt i retning av elektrisk strøm. Solenoider lar deg utnytte kraften til magnetfelt gjennom elektriske strømmer.

••• Syed Hussain Ather

Når en elektrisk ladning beveger seg, genereres magnetfeltet når elektronene som snurrer og beveger seg blir magnetiske gjenstander selv. Elementer som har uparede elektroner i bakken, som jern, kobolt og nikkel, kan innrettes slik at de danner permanente magneter. Magnetfeltet produsert av elektronene til disse elementene lar elektrisk strøm strømme gjennom disse elementene. Magnetfelt kan også avbryte hverandre hvis de er like store i motsatt retning.

Strøm som strømmer gjennom et batteri Jeg avgir et magnetfelt B ved radius r i henhold til ligningen for Ampères lov: B = 2πr μ_{0 ​}Jeg hvor μ₀ er den magnetiske konstanten med vakuumgjennomtrengelighet, 1,26 x 10^-6 H / m ("Henries per meter" der Henries er induktansenheten). Å øke strømmen og komme nærmere ledningen øker både magnetfeltet som resulterer.

Typer magneter

For at et objekt skal være magnetisk, må elektronene som utgjør gjenstanden fritt kunne bevege seg rundt og mellom atomer i objektet. For at et materiale skal være magnetisk, er atomer med uparede elektroner med samme spinn ideelle kandidater, ettersom disse atomene kan parre seg med hverandre for å la elektronene strømme fritt. Å teste materialer i nærvær av magnetfelt og undersøke magnetiske egenskaper til atomene som lager disse materialene, kan fortelle deg om deres magnetisme.

ferromagnets har denne egenskapen at de er permanent magnetiske. Paramagnetsderimot, vil ikke vise magnetiske egenskaper med mindre de er i nærvær av et magnetfelt for å linse spinnene til elektronene slik at de kan bevege seg fritt. Diamagnets har atomkomposisjoner slik at de i det hele tatt ikke er påvirket av magnetiske felt eller bare påvirkes veldig lite av magnetiske felt. De har ingen eller få uparede elektroner som lar ladningene strømme gjennom.

Paramagneter fungerer fordi de er laget av materialer som alltid har magnetiske øyeblikk, kjent som dipoler. Disse øyeblikkene er deres evne til å samkjøre med et eksternt magnetfelt på grunn av spinnet av uparmerte elektroner i baneene til atomene som lager disse materialene. I nærvær av et magnetfelt, justeres materialene for å motsette seg magnetfeltets kraft. Paramagnetiske elementer inkluderer magnesium, molybden, litium og tantal.

I et ferromagnetisk materiale er atomenes dipol permanent, vanligvis som et resultat av oppvarming og avkjøling av paramagnetisk materiale. Dette gjør dem til ideelle kandidater for elektromagneter, motorer, generatorer og transformatorer for bruk i elektriske apparater. Derimot kan diamagneter produsere en kraft som lar elektroner strømme fritt i form av strøm som da skaper et magnetfelt motsatt av ethvert magnetfelt som påføres dem. Dette avbryter magnetfeltet og forhindrer dem i å bli magnetisk.

Magnetisk kraft

Magnetiske felt bestemmer hvordan magnetiske krefter kan fordeles i nærvær av magnetisk materiale. Mens elektriske felt beskriver den elektriske kraften i nærvær av et elektron, har magnetiske felt ingen slik analog partikkel som magnetisk kraft skal beskrives på. Forskere har teoretisert at en magnetisk monopol kan eksistere, men det har ikke vært eksperimentelle bevis som viser at disse partiklene eksisterer. Hvis de skulle eksistere, ville disse partiklene hatt en magnetisk "ladning" omtrent på samme måte som ladede partikler har elektriske ladninger.

Magnetisk kraft resulterer på grunn av den elektromagnetiske kraften, kraften som beskriver både elektriske og magnetiske komponenter til partikler og gjenstander. Dette viser hvor iboende magnetisme er de samme fenomenene elektrisitet som strøm og elektrisk felt. Ladningen til et elektron er det som får magnetfeltet til å avlede det gjennom magnetisk kraft på samme måte som elektrisk felt og elektrisk kraft.

Magnetfelt og elektriske felt

Mens bare bevegelige ladede partikler avgir magnetiske felt, og alle ladede partikler avgir elektriske felt, er magnetiske og elektromagnetiske felt del av den samme grunnleggende kraften til elektromagnetisme. Den elektromagnetiske kraften virker mellom alle ladede partikler i universet. Den elektromagnetiske kraften har form av hverdagslige fenomener i elektrisitet og magnetisme som statisk elektrisitet og de elektrisk ladede bindinger som holder molekyler sammen.

Denne kraften sammen med kjemiske reaksjoner danner også grunnlaget for den elektromotoriske kraften som lar strømmen strømme gjennom kretsløp. Når et magnetfelt blir sett sammenvevd med et elektrisk felt, er det resulterende produktet kjent som et elektromagnetisk felt.

De Lorentz kraftligning F = qE + qv × B beskriver kraften på en ladet partikkel q beveger seg med hastighet v i nærvær av et elektrisk felt E og magnetfelt B. I denne ligningen x mellom qv og B representerer tverrproduktet. Første termin QE er bidraget fra det elektriske feltet til styrken, og den andre termin qv x B er magnetfeltets bidrag.

Lorentz-ligningen forteller deg også at den magnetiske kraften mellom ladningshastigheten v og magnetfeltet B er qvbsinφ mot et gebyr q hvor ϕ ("phi") er vinkelen mellom v og B, som må være mindre enn 1_80_ grader. Hvis vinkelen mellom v og B er større, bør du bruke vinkelen i motsatt retning for å fikse dette (fra definisjonen av et tverrprodukt). Hvis _ϕ_is 0, som i, hastighet og magnetfelt peker i samme retning, vil magnetkraften være 0. Partikkelen vil fortsette å bevege seg uten å bli avbøyd av magnetfeltet.

Korsprodukt av magnetfelt

••• Syed Hussain Ather

I diagrammet over er kryssproduktet mellom to vektorer en og b er c. Legg merke til retningen og størrelsen på c. Det er i retningen vinkelrett på en og b når gitt av høyre hånd. Høyre regel betyr at retningen på det resulterende kryssproduktet c gis ved tommelfingerretningen når høyre pekefinger er i retning av b og høyre langfingre er i retning av en.

Tverrproduktet er en vektoroperasjon som resulterer i vektoren vinkelrett på begge deler qv og B gitt av den høyre regelen for de tre vektorene og med størrelsen på området for parallellogrammet som vektorene qv og B span. Den høyre regelen betyr at du kan bestemme retningen på tverrproduktet mellom qv og B ved å plassere høyre pekefinger i retning av B, langfingeren i retning av qv, og den resulterende retningen på tommelen vil være tverrproduktretningen til disse to vektorene.

••• Syed Hussain Ather

I diagrammet over demonstrerer høyre regel også forholdet mellom magnetfelt, magnetisk kraft og strøm gjennom en ledning. Dette viser også at tverrproduktet mellom disse tre mengdene kan representere den høyre regelen ettersom kryssproduktet mellom retningen av kraften og feltet tilsvarer strømmenes retning.

Magnetfelt i hverdagen

Magnetiske felt på rundt 0,2 til 0,3 tesla brukes i MR, magnetisk resonansavbildning. MR er en metode leger bruker for å studere interne strukturer i en pasientkropp som hjerne, ledd og muskler. Dette gjøres vanligvis ved å plassere pasienten i et sterkt magnetfelt slik at feltet løper langs kroppens akse. Hvis du forestiller deg at pasienten var en magnetisk magnetventil, ville de elektriske strømningene vikle seg rundt kroppen hans og magnetfeltet ville bli rettet i vertikal retning med hensyn til kroppen, som diktert av høyre hånd.

Forskere og leger studerer deretter måtene protoner avviker fra sin normale innretting for å studere strukturene i en pasientkropp. Gjennom dette kan leger stille trygge, ikke-invasive diagnoser av forskjellige forhold.

Personen kjenner ikke magnetfeltet under prosessen, men fordi det er så mye vann i menneskekroppen, justerer hydrogenkjerner (som er protoner) seg på grunn av magnetfeltet.MR-skanneren bruker et magnetfelt som protonene tar opp energi fra, og når magnetfeltet er slått av, går protonene tilbake til sine normale posisjoner. Enheten sporer deretter denne endringen i posisjon for å bestemme hvordan protonene er justert og skaper et bilde av innsiden av pasientens kropp.