Как работят магнитните полета?

Съдържание

• Наука за магнитните полета
• Как да определите магнитното поле?
• Видове магнити
• Магнитна сила
• Магнитни и електрически полета
• Крос-продукт с магнитно поле
• Магнитно поле в ежедневието

••• Syed Hussain Ather

Магнитни полета опишете как се разпределя магнитната сила през пространството около обекти. Обикновено за обект, който е магнитен, линиите на магнитното поле пътуват от обектите от северния до южния полюс, точно както правят магнитното поле на Земята, както е показано на диаграмата по-горе.

Същата магнитна сила, която кара обектите да се придържат към повърхностите на хладилника, се използва в магнитното поле на Земята, което предпазва озоновия слой от вредния слънчев вятър. Магнитното поле образува пакети енергия, които пречат на озоновия слой да загуби въглероден диоксид.

Можете да наблюдавате това, като наливате железни пълнежи, малки прахообразни парчета желязо, в присъствието на магнит. Поставете магнит под лист хартия или лек лист плат. Изсипете железните филийки и наблюдавайте формите и образуванията, които поемат. Определете какви полеви линии трябва да бъдат, за да накарат записите да се подреждат и разпространяват така според физиката на магнитните полета.

Колкото по-голяма е плътността на линиите на магнитното поле, изтеглени от север на юг, толкова по-голяма е величината на магнитното поле. Тези северен и южен полюс също диктуват дали магнитните обекти са привлекателни (между северен и южен полюс) или отблъскващи (между идентични полюси). Магнитните полета се измерват в единици на Tesla, т.

Наука за магнитните полета

Тъй като магнитните полета се образуват винаги, когато зарядите са в движение, магнитните полета се индуцират от електрически ток чрез проводници. Полето ви дава начин да опишете потенциалната сила и посока на магнитна сила в зависимост от тока през електрически проводник и разстоянието, което токът изминава. Линиите на магнитното поле образуват концентрични кръгове около проводниците. Посоката на тези полета може да бъде определена чрез "правилното правило".

Това правило ви казва, че ако поставите десния палец в посока на електрически ток през проводник, получените магнитни полета са в посоката на това как ръцете ви се извиват. С по-голям ток се индуцира по-голямо магнитно поле.

Как да определите магнитното поле?

Можете да използвате различни примери за правило за дясна ръка, общо правило за определяне на посоката на различни величини, включващи магнитно поле, магнитна сила и ток. Това правило е полезно за много случаи на електричество и магнетизъм, както е продиктувано от математиката на количествата.

••• Syed Hussain Ather

Това правило на дясната ръка може да се приложи и в другата посока за магнит соленоидили поредица от електрически ток, увит в проводници около магнит. Ако насочите палеца на дясната си ръка в посока на магнитното поле, тогава пръстите на дясната ръка ще се увият в посока на електрическия ток. Соленоидите ви позволяват да използвате силата на магнитното поле чрез електрически токове.

••• Syed Hussain Ather

Когато пътува електрически заряд, магнитното поле се генерира, тъй като електроните, които се въртят и се движат наоколо, стават сами магнитни обекти. Елементите, които имат несдвоени електрони в своите основни състояния като желязо, кобалт и никел, могат да бъдат подравнени така, че да образуват постоянни магнити. Магнитното поле, произведено от електроните на тези елементи, позволява на електрическия ток да преминава през тези елементи по-лесно. Самите магнитни полета също могат да отменят едно друго, ако са равни по величина в противоположни посоки.

Ток, преминаващ през батерия аз излъчва магнитно поле B в радиус R според уравнението за Закон на Ампер: B = 2πr μ_{0 ​}аз където μ₀ е магнитната константа на вакуумната пропускливост, 1,26 х 10^-6 H / m („Хенри на метър“, в който Хенрис е единицата на индуктивност). Увеличаването на тока и приближаването до жицата увеличават магнитното поле, което води до резултат.

Видове магнити

За да бъде обект магнитен, електроните, които съставляват обекта, трябва да могат свободно да се движат около и между атомите в обекта. За да бъде материал магнитен, атомите с несдвоени електрони с един и същ спин са идеални кандидати, тъй като тези атоми могат да се сдвоят един с друг, за да позволят на електроните да протичат свободно. Тестване на материали в присъствието на магнитни полета и изследване на магнитните свойства на атомите, които правят тези материали, може да ви разкаже за техния магнетизъм.

Ferromagnets имат това свойство, че са постоянно магнитни. ParamagnetsЗа разлика от тях, няма да показват магнитни свойства, освен ако в присъствието на магнитно поле не се въртят завъртанията на електроните, така че те да могат да се движат свободно. Diamagnets имат атомни състави, така че изобщо не са засегнати от магнитни полета или са засегнати само много малко от магнитни полета. Те нямат или няколко несдвоени електрона, които да позволяват на зарядите да протичат.

Парамагнетиците работят, защото са направени от материали, които винаги има магнитни моменти, известен като диполи. Тези моменти са способността им да се изравняват с външно магнитно поле поради спина на несдвоени електрони в орбиталите на атомите, които правят тези материали. В присъствието на магнитно поле, материалите се подравняват, за да се противопоставят на силата на магнитното поле. Парамагнитните елементи включват магнезий, молибден, литий и тантал.

В рамките на феромагнитен материал диполът на атомите е постоянен, обикновено в резултат на нагряване и охлаждане на парамагнитния материал. Това ги прави идеални кандидати за електромагнити, двигатели, генератори и трансформатори за използване в електрически устройства. За разлика от тях диамагнетиците могат да произведат сила, която позволява на електроните да текат свободно под формата на ток, който тогава създава магнитно поле, противоположно на всяко магнитно поле, приложено към тях. Това отменя магнитното поле и не им позволява да станат магнитни.

Магнитна сила

Магнитните полета определят как могат да се разпределят магнитните сили в присъствието на магнитен материал. Докато електрическите полета описват електрическата сила в присъствието на електрон, магнитните полета нямат такава аналогична частица, върху която да се опише магнитната сила. Учените са теоретизирали, че магнитен монопол може да съществува, но няма експериментални доказателства, които да показват, че тези частици съществуват. Ако съществуват, тези частици биха имали магнитен "заряд" по същия начин, по който заредените частици имат електрически заряди.

Резултатът от магнитната сила се дължи на електромагнитната сила, силата, която описва както електрически, така и магнитни компоненти на частици и предмети. Това показва колко вътрешен магнетизъм е към същите явления на електричество като ток и електрическо поле. Зарядът на един електрон е причината магнитното поле да го отклони чрез магнитна сила по същия начин, по който правят електрическото поле и електрическата сила.

Магнитни и електрически полета

Докато само движещите се заредени частици издават магнитни полета, а всички заредени частици отделят електрически полета, магнитните и електромагнитните полета са част от една и съща основна сила на електромагнетизма. Електромагнитната сила действа между всички заредени частици във Вселената. Електромагнитната сила приема формата на ежедневни явления в електричеството и магнетизма като статично електричество и електрически заредените връзки, които поддържат молекулите заедно.

Тази сила, заедно с химичните реакции, също формират основата за електромоторната сила, която позволява на тока да тече през вериги. Когато се гледа магнитно поле, преплетено с електрическо поле, полученият продукт е известен като електромагнитно поле.

Най- Уравнение на сила на Лоренц F = qE + qv × B описва силата върху заредена частица р движещи се със скорост V при наличие на електрическо поле E и магнитно поле B, В това уравнение х между QV и B представлява кръстосания продукт. Първият мандат QE е приносът на електрическото поле към силата и вторият срок qv x B е приносът на магнитните полета.

Уравнението на Лоренц също ви казва, че магнитната сила между скоростта на заряд V и магнитното поле B е qvbsinφ срещу заплащане р където ϕ ("phi") е ъгълът между V и B, което трябва да бъде по-малко от 1_80_ градуса. Ако ъгълът между V и B е по-голям, тогава трябва да използвате ъгъла в обратна посока, за да фиксирате това (от определението за кръстосан продукт). Ако _ϕ_ е 0, както в скоростта и точката на магнитното поле в една и съща посока, магнитната сила ще бъде 0. Частицата ще продължи да се движи, без да се отклонява от магнитното поле.

Крос-продукт с магнитно поле

••• Syed Hussain Ather

На диаграмата по-горе, кръстосаният продукт между два вектора а и б е ° С, Отбележете посоката и величината на ° С, Неговата в посока, перпендикулярна на а и б когато е дадено от правилото за дясна ръка. Правилото вдясно означава, че посоката на получения кръстосан продукт ° С се дава от посоката на палеца, когато вашият десен показалец е в посока към б и десният ви среден пръст е в посока към а.

Кръстосаният продукт е векторна операция, която води до вектора перпендикулярно на двете QV и B дадено от правилото на дясната страна на трите вектора и с величината на площта на паралелограма, която векторите QV и B педя. Правилото вдясно означава, че можете да определите посоката на кръстосания продукт между QV и B като поставите десния си показалец в посока към B, средният ви пръст в посока към QVи получената посока на палеца ще бъде посоката на кръстосания продукт на тези два вектора.

••• Syed Hussain Ather

На горната диаграма правилото на дясната страна също демонстрира връзката между магнитното поле, магнитната сила и тока през проводник. Това също показва, че напречният продукт между тези три количества може да представлява правилото на дясната ръка, тъй като напречният продукт между посоката на силата и полето е равен на посоката на тока.

Магнитно поле в ежедневието

Магнитни полета от около 0,2 до 0,3 тесла се използват при ЯМР, магнитен резонанс. ЯМР е метод, който лекарите използват за изследване на вътрешни структури в тялото на пациента, като мозък, стави и мускули. Това обикновено се прави, като се постави пациентът в силно магнитно поле, така че полето да тече по оста на тялото. Ако си представите, че пациентът е магнитен соленоид, електрическите токове ще се увият около тялото му и магнитното поле ще бъде насочено във вертикална посока спрямо тялото, както е продиктувано от правилото за дясната ръка.

След това учените и лекарите изучават начините, по които протоните се отклоняват от нормалното си привеждане в съответствие, за да изследват структурите в тялото на пациента. Чрез това лекарите могат да поставят безопасни, неинвазивни диагнози на различни състояния.

Човекът не усеща магнитното поле по време на процеса, но тъй като в човешкото тяло има толкова много вода, водородните ядра (които са протони) се подравняват поради магнитното поле.ЯМР скенерът използва магнитно поле, от което протоните абсорбират енергия, а когато магнитното поле е изключено, протоните се връщат в нормалните си позиции. След това устройството проследява тази промяна в позицията, за да определи как протоните са подравнени и да създаде изображение на вътрешността на тялото на пациента.