Hvordan fungerer magnetfelter?

Indhold

• Magnetfelt Videnskab
• Hvordan bestemmer du magnetfelt?
• Typer af magneter
• Magnetisk kraft
• Magnetiske felter og elektriske felter
• Korsprodukt af magnetfelt
• Magnetfelt i hverdagen

••• Syed Hussain Ather

Magnetiske felter beskriv, hvordan den magnetiske kraft er fordelt gennem rummet omkring genstande. Generelt for et objekt, der er magnetisk, bevæger de magnetiske feltlinjer sig fra objekterne nordpol til sydpolen, ligesom de gør for jordens magnetfelt, som vist i diagrammet ovenfor.

Den samme magnetiske kraft, der får objekter til at klæbe til køleskabsoverflader, bruges i jordens magnetfelt, der beskytter ozonlaget mod skadelig solvind. Magnetfeltet danner energipakker, der forhindrer ozonlaget i at miste kuldioxid.

Du kan observere dette ved at hælde jernfilinger, små pulverlignende stykker jern i nærvær af et magnet. Placer en magnet under et stykke papir eller et let ark klud. Hæld jernfilterne og observer de former og formationer, de tager. Bestem, hvilke feltlinjer der skulle være for at få arkiverne til at arrangere og distribuere sig sådan her i henhold til magnetfeltfysikken.

Jo større densitet af magnetfeltlinjerne, der er trukket fra nord til syd, jo større er magnetfeltets størrelse. Disse nord- og sydpoler dikterer også, om magnetiske genstande er attraktive (mellem nord- og sydpoler) eller frastødende (mellem identiske poler). Magnetiske felter måles i enheder af Tesla, T.

Magnetfelt Videnskab

Da magnetiske felter dannes, når ladninger er i bevægelse, induceres magnetiske felter fra elektrisk strøm gennem ledninger. Feltet giver dig en måde at beskrive den potentielle styrke og retning for en magnetisk kraft afhængig af strømmen gennem en elektrisk ledning og den afstand, som strømmen bevæger sig. Magnetfeltlinier danner koncentriske cirkler omkring ledninger. Retningen af ​​disse felter kan bestemmes ved hjælp af "højre regel."

Denne regel fortæller dig, at hvis du placerer din højre tommelfinger i retning af elektrisk strøm gennem en ledning, er de resulterende magnetfelter i retning af, hvordan dine hænder fingre krøller. Med større strøm induceres større magnetfelt.

Hvordan bestemmer du magnetfelt?

Du kan bruge forskellige eksempler på højre regel, en generel regel til bestemmelse af retningen af ​​forskellige mængder, der involverer magnetfelt, magnetisk kraft og strøm. Denne tommelfingerregel er nyttig i mange tilfælde i elektricitet og magnetisme som dikteret af matematiske størrelser.

••• Syed Hussain Ather

Denne højre regel kan også anvendes i den anden retning for et magnet solenoideeller en række elektriske strøm indpakket i ledninger omkring en magnet. Hvis du peger din højre tommelfinger i retning af magnetfeltet, vil dine højre fingre vikle rundt i retning af elektrisk strøm. Solenoider lader dig udnytte magnetfeltets kraft gennem elektriske strømme.

••• Syed Hussain Ather

Når en elektrisk ladning bevæger sig, genereres magnetfeltet, når elektronerne, der roterer og bevæger sig, bliver magnetiske objekter i sig selv. Elementer, der har uparrede elektroner i deres jordtilstande, såsom jern, kobolt og nikkel, kan justeres, så de danner permanente magneter. Det magnetiske felt, der produceres af disse elementers elektron, lader elektrisk strøm flyde gennem disse elementer lettere. Selve magnetiske felter kan også annullere hinanden, hvis de er lige store i størrelse i modsatte retninger.

Strøm strømmer gennem et batteri jeg afgiver et magnetfelt B ved radius r i henhold til ligningen for Ampères lov: B = 2πr μ_{0 ​}jeg hvor μ₀ er den magnetiske konstant med vakuumpermeabilitet, 1,26 x 10^-6 H / m ("Henries per meter", hvor Henries er enheden for induktans). Ved at øge strømmen og komme nærmere tråden øges begge det magnetiske felt, der resulterer.

Typer af magneter

For at et objekt skal være magnetisk, skal elektronerne, der udgør objektet, være i stand til frit at bevæge sig rundt og mellem atomer i objektet. For at et materiale skal være magnetisk er atomer med uparrede elektroner med samme omdrejning ideelle kandidater, da disse atomer kan parre sig med hinanden for at lade elektroner flyde frit. Test af materialer i nærvær af magnetfelter og undersøgelse af magnetiske egenskaber hos de atomer, der fremstiller disse materialer, kan fortælle dig om deres magnetisme.

ferromagneter har denne egenskab, at de er permanent magnetiske. paramagneterderimod, viser de ikke magnetiske egenskaber, medmindre de er i tilstedeværelse af et magnetfelt for at linere elektronernes spins, så de kan bevæge sig frit. Diamagnets har atomsammensætninger, således at de overhovedet ikke er påvirket af magnetiske felter eller kun påvirkes meget lidt af magnetiske felter. De har ingen eller få uparrede elektroner til at lade ladninger strømme igennem.

Paramagneter fungerer, fordi de er lavet af materialer, der altid har magnetiske øjeblikke, kendt som dipoler. Disse øjeblikke er deres evne til at tilpasse sig et eksternt magnetfelt på grund af centrifugeringen af ​​uparrede elektroner i atomer, der fremstiller disse materialer. I nærvær af et magnetfelt justeres materialerne for at modstå magnetfeltets kraft. Paramagnetiske elementer inkluderer magnesium, molybdæn, lithium og tantal.

Inden i et ferromagnetisk materiale er atomenes dipol permanent, normalt som et resultat af opvarmning og afkøling af paramagnetisk materiale. Dette gør dem til ideelle kandidater til elektromagneter, motorer, generatorer og transformere til brug i elektriske apparater. Derimod kan diamagneter producere en kraft, der lader elektroner strømme frit i form af strøm, som så skaber et magnetfelt modsat ethvert magnetfelt, der påføres dem. Dette annullerer magnetfeltet og forhindrer dem i at blive magnetiske.

Magnetisk kraft

Magnetfelter bestemmer, hvordan magnetiske kræfter kan fordeles i nærvær af magnetisk materiale. Mens elektriske felter beskriver den elektriske kraft i nærvær af et elektron, har magnetiske felter ingen sådan analog partikel, hvorpå magnetisk kraft kan beskrives. Forskere har teoretiseret, at der kan eksistere en magnetisk monopol, men der har ikke været eksperimentelle bevis for at vise, at disse partikler findes. Hvis de skulle eksistere, ville disse partikler have en magnetisk "ladning" på samme måde som ladede partikler har elektriske ladninger.

Magnetisk kraft resulterer på grund af den elektromagnetiske kraft, kraften, der beskriver både elektriske og magnetiske komponenter i partikler og genstande. Dette viser, hvor iboende magnetisme er de samme fænomener af elektricitet som strøm og elektrisk felt. Ladningen af ​​et elektron er det, der får magnetfeltet til at aflede det gennem magnetisk kraft på samme måde som det elektriske felt og den elektriske kraft.

Magnetiske felter og elektriske felter

Mens kun bevægelige ladede partikler afgiver magnetiske felter, og alle ladede partikler afgiver elektriske felter, er magnetiske og elektromagnetiske felter en del af den samme grundlæggende kraft af elektromagnetisme. Den elektromagnetiske kraft virker mellem alle ladede partikler i universet. Den elektromagnetiske kraft har form af hverdagslige fænomener i elektricitet og magnetisme såsom statisk elektricitet og de elektrisk ladede bindinger, der holder molekyler sammen.

Denne kraft sammen med kemiske reaktioner danner også grundlaget for den elektromotoriske kraft, der lader strømmen strømme gennem kredsløb. Når et magnetfelt ses sammenflettet med et elektrisk felt, er det resulterende produkt kendt som et elektromagnetisk felt.

Det Lorentz kraft ligning F = qE + qv × B beskriver kraften på en ladet partikel q bevæger sig med hastighed v i nærvær af et elektrisk felt E og magnetfelt B. I denne ligning x mellem qv og B repræsenterer krydsproduktet. Den første periode qE er bidraget fra det elektriske felt til styrken og den anden periode qv x B er det magnetiske felt bidrag.

Lorentz-ligningen fortæller dig også, at den magnetiske kraft mellem ladningshastigheden v og magnetfeltet B er qvbsinφ mod et gebyr q hvor ϕ ("phi") er vinklen mellem v og B, som skal være mindre end 1_80_ grader. Hvis vinklen mellem v og B er større, skal du bruge vinklen i den modsatte retning for at løse dette (fra definitionen af ​​et krydsprodukt). Hvis _ϕ_is 0, som i, hastighed og magnetfelt peger i samme retning, vil den magnetiske kraft være 0. Partiklen vil fortsætte med at bevæge sig uden at blive afbøjet af magnetfeltet.

Korsprodukt af magnetfelt

••• Syed Hussain Ather

I diagrammet ovenfor er krydsproduktet mellem to vektorer -en og b er c. Bemærk retningen og størrelsen af c. Det er i retningen vinkelret på -en og b når det er givet af højre-reglen. Højre regel betyder, at retningen for det resulterende krydsprodukt c gives ved tommelfingerretningen, når din højre pegefinger er i retning af b og din højre langfingre er i retning af -en.

Korsproduktet er en vektoroperation, der resulterer i vektoren vinkelret på begge dele qv og B givet ved højre regel for de tre vektorer og med størrelsen af ​​det parallelleograms areal, som vektorerne qv og B span. Højre regel betyder, at du kan bestemme retning af krydsproduktet imellem qv og B ved at placere din højre pegefinger i retning af B, din langfingre i retning af qv, og den resulterende retning af din tommelfinger vil være tværproduktets retning for disse to vektorer.

••• Syed Hussain Ather

I diagrammet ovenfor viser højre regel også forholdet mellem magnetfelt, magnetisk kraft og strøm gennem en ledning. Dette viser også, at tværproduktet mellem disse tre mængder kan repræsentere den højre regel, da krydsproduktet mellem kraftens retning og feltet er lig med strømningsretningen.

Magnetfelt i hverdagen

Magnetfelter på omkring 0,2 til 0,3 tesla anvendes til MR, magnetisk resonansafbildning. MR er en metode, som læger bruger til at studere interne strukturer i en patientkrop, såsom hjerne, led og muskler. Dette gøres generelt ved at placere patienten i et stærkt magnetfelt, således at feltet løber langs legemets akse. Hvis du forestiller dig, at patienten var en magnetisk solenoid, ville de elektriske strømme vikle rundt om hans eller hendes krop, og magnetfeltet ville være rettet i lodret retning i forhold til kroppen, som dikteret af højre regel.

Videnskabsmænd og læger undersøger derefter måderne, hvor protoner afviger fra deres normale tilpasning for at studere strukturer i en patientkrop. Gennem dette kan læger stille sikre, ikke-invasive diagnoser af forskellige tilstande.

Personen føler ikke magnetfeltet under processen, men fordi der er så meget vand i den menneskelige krop, justerer brintkernerne (som er protoner) sig på grund af magnetfeltet.MR-scanneren bruger et magnetfelt, som protonerne optager energi fra, og når magnetfeltet er slukket, vender protonerne tilbage til deres normale positioner. Enheden sporer derefter denne ændring i position for at bestemme, hvordan protonerne er justeret og skaber et billede af indersiden af ​​patientens krop.