Cum funcționează câmpurile magnetice?

Conţinut

• Știința câmpurilor magnetice
• Cum determinați câmpul magnetic?
• Tipuri de magneți
• Forta magnetica
• Câmpuri magnetice și câmpuri electrice
• Produs încrucișat cu câmp magnetic
• Câmpul magnetic în viața de zi cu zi

••• Syed Hussain Ather

Campuri magnetice descrieți cum forța magnetică este distribuită prin spațiu în jurul obiectelor. În general, pentru un obiect care este magnetic, liniile câmpului magnetic călătoresc de la obiectele la polul nord până la polul sud, la fel ca și în cazul câmpului magnetic al Pământului, așa cum se arată în diagrama de mai sus.

Aceeași forță magnetică care face ca obiectele să se lipească de suprafețele frigorifice sunt utilizate în câmpul magnetic al Pământului care protejează stratul de ozon de vântul solar dăunător. Câmpul magnetic formează pachete de energie care împiedică stratul de ozon să piardă dioxid de carbon.

Puteți observa acest lucru turnând filme de fier, mici bucăți de fier asemănătoare pudrei, în prezența unui magnet. Puneți un magnet sub o bucată de hârtie sau o foaie ușoară de pânză. Turnați filamentele de fier și observați formele și formațiunile pe care le iau. Determinați ce linii de câmp ar trebui să fie pentru a determina aranjarea filelor și distribuirea lor în funcție de fizica câmpurilor magnetice.

Cu cât este mai mare densitatea liniilor câmpului magnetic trase de la nord la sud, cu atât mai mare este câmpul magnetic. Acești poli nord și sud dictează, de asemenea, dacă obiectele magnetice sunt atractive (între poli nord și sud) sau respingătoare (între poli identici). Câmpurile magnetice sunt măsurate în unități de Tesla, T.

Știința câmpurilor magnetice

Deoarece câmpurile magnetice se formează ori de câte ori sarcinile sunt în mișcare, câmpurile magnetice sunt induse de curentul electric prin fire. Câmpul vă oferă un mod de a descrie puterea potențială și direcția unei forțe magnetice în funcție de curent printr-un fir electric și de distanța pe care o parcurge curentul. Liniile de câmp magnetic formează cercuri concentrice în jurul firelor. Direcția acestor câmpuri poate fi determinată prin „regula din dreapta”.

Această regulă vă spune că, dacă plasați degetul mare în direcția curentului electric printr-un fir, câmpurile magnetice rezultate sunt în direcția modului în care se înfundă degetele mâinilor. Cu un curent mai mare, este indus un câmp magnetic mai mare.

Cum determinați câmpul magnetic?

Puteți utiliza diferite exemple de regula dreapta, o regulă generală pentru determinarea direcției diferitelor cantități care implică câmp magnetic, forță magnetică și curent. Această regulă generală este utilă în multe cazuri în electricitate și magnetism, așa cum este dictată de matematica cantităților.

••• Syed Hussain Ather

Această regulă din dreapta poate fi aplicată și în cealaltă direcție pentru un magnet solenoidsau o serie de curent electric înfășurat în fire în jurul unui magnet. Dacă îndreptați degetul mare în direcția câmpului magnetic, atunci degetele mâinii drepte se vor înfășura în direcția curentului electric. Solenoidele vă permit să exploatați puterea câmpului magnetic prin curenții electrici.

••• Syed Hussain Ather

Când o sarcină electrică se deplasează, câmpul magnetic se generează pe măsură ce electronii care se rotesc și se deplasează devin ei înșiși obiecte magnetice. Elementele care au electroni neperecheți în stările lor de sol, cum ar fi fierul, cobaltul și nichelul pot fi aliniate astfel încât să formeze magneți permanenți. Câmpul magnetic produs de electronii acestor elemente permite curgerea curentului electric prin aceste elemente mai ușor. Câmpurile magnetice în sine pot, de asemenea, să se anuleze unul pe celălalt dacă sunt egale ca mărime în direcții opuse.

Curentul care curge printr-o baterie eu dă un câmp magnetic B la rază r conform ecuatiei pt Legea Ampères: B = 2πr μ_{0 ​}eu Unde μ₀ este constanta magnetica a permeabilitatii in vid, 1,26 x 10^-6 H / m („Henries pe metru” în care Henries este unitatea de inductanță). Creșterea curentului și apropierea de fir amândouă crește câmpul magnetic care rezultă.

Tipuri de magneți

Pentru ca un obiect să fie magnetic, electronii care alcătuiesc obiectul trebuie să se poată deplasa liber în jurul și între atomii din obiect. Pentru ca un material să fie magnetic, atomii cu electroni neperecheți din același spin sunt candidați ideali, deoarece acești atomi se pot împerechea unul cu altul pentru a permite electronilor să curgă liber. Testarea materialelor în prezența câmpurilor magnetice și examinarea proprietăților magnetice ale atomilor care fac aceste materiale vă pot spune despre magnetismul lor.

ferromagnets au această proprietate că sunt permanent magnetice. Paramagnetsprin contrast, nu va afișa proprietăți magnetice, cu excepția cazului în prezența unui câmp magnetic pentru a alinia rotirile electronilor, astfel încât acestea să se poată deplasa liber. Diamagnets au compoziții atomice astfel încât acestea să nu fie afectate deloc de câmpuri magnetice sau să fie afectate doar foarte puțin de câmpurile magnetice. Acestea nu au sau puțini electroni neperecheți care să permită trecerea sarcinilor.

Paramagnetele funcționează pentru că sunt făcute din materiale care au întotdeauna momente magnetice, cunoscut sub numele de dipoli. Aceste momente sunt capacitatea lor de a se alinia cu un câmp magnetic extern datorită rotirii electronilor neperecheți pe orbitele atomilor care formează aceste materiale. În prezența unui câmp magnetic, materialele se aliniază pentru a se opune forței câmpului magnetic. Elementele paramagnetice includ magneziu, molibden, litiu și tantal.

În cadrul unui material ferromagnetic, dipolul atomilor este permanent, de obicei ca rezultat al încălzirii și răcirii materialului paramagnetic. Acest lucru îi face candidați ideali pentru electromagneti, motoare, generatoare și transformatoare pentru utilizare în dispozitive electrice. În schimb, diametrele pot produce o forță care permite electronilor să curgă liber sub formă de curent care, apoi, creează un câmp magnetic opus oricărui câmp magnetic aplicat lor. Aceasta anulează câmpul magnetic și le împiedică să devină magnetice.

Forta magnetica

Câmpurile magnetice determină modul în care forțele magnetice pot fi distribuite în prezența materialului magnetic. În timp ce câmpurile electrice descriu forța electrică în prezența unui electron, câmpurile magnetice nu au o astfel de particulă analogică pentru a descrie forța magnetică. Oamenii de știință au susținut că poate exista un monopol magnetic, dar nu au existat dovezi experimentale care să arate că aceste particule există. Dacă ar exista, aceste particule ar avea o „încărcare” magnetică la fel cum particulele încărcate au sarcini electrice.

Forța magnetică rezultă datorită forței electromagnetice, forța care descrie atât componentele electrice cât și cele magnetice ale particulelor și obiectelor. Acest lucru arată cât magnetismul intrinsec este la aceleași fenomene de electricitate, cum ar fi curentul și câmpul electric. Încărcarea unui electron este ceea ce determină câmpul magnetic să-l devieze prin forță magnetică la fel ca și câmpul electric și forța electrică.

Câmpuri magnetice și câmpuri electrice

În timp ce numai particulele încărcate în mișcare dau câmpuri magnetice, iar toate particulele încărcate dau câmpuri electrice, câmpurile magnetice și electromagnetice fac parte din aceeași forță fundamentală a electromagnetismului. Forța electromagnetică acționează între toate particulele încărcate din univers. Forța electromagnetică ia forma fenomenelor cotidiene în electricitate și magnetism, cum ar fi electricitatea statică și legăturile încărcate electric care mențin moleculele unite.

Această forță, alături de reacțiile chimice, constituie, de asemenea, baza forței electromotive care permite curgerea curentului prin circuite. Când un câmp magnetic este privit împletit cu un câmp electric, produsul rezultat este cunoscut sub numele de câmp electromagnetic.

Ecuația forței Lorentz F = qE + qv × B descrie forța asupra unei particule încărcate q deplasându-se cu viteză v în prezența unui câmp electric E și câmp magnetic B. În această ecuație X între QV și B reprezintă produsul încrucișat. Primul termen QE este contribuția câmpului electric la forță, iar al doilea termen qv x B este contribuția câmpurilor magnetice.

Ecuația Lorentz vă spune, de asemenea, că forța magnetică dintre viteza de încărcare v iar câmpul magnetic B este qvbsinφ contra unei taxe q Unde ϕ ("phi") este unghiul dintre v și B, care trebuie să fie mai mică de 1_80_ grade. Dacă unghiul dintre v și B este mai mare, atunci ar trebui să folosiți unghiul în direcția opusă pentru a remedia acest lucru (din definiția unui produs încrucișat). Dacă _ϕ_ este 0, ca și în, viteza și câmpul magnetic punctează în aceeași direcție, forța magnetică va fi 0. Particulul va continua să se miște fără să fie deviat de câmpul magnetic.

Produs încrucișat cu câmp magnetic

••• Syed Hussain Ather

În diagrama de mai sus, produsul încrucișat între doi vectori A și b este c. Notă direcția și amploarea c. Este în direcția perpendiculară cu A și b când este dat de regula din dreapta. Regula din dreapta înseamnă că direcția produsului încrucișat rezultat c este dată de direcția degetului mare atunci când degetul arătător drept este în direcția b iar degetul mijlociu drept este în direcția A.

Produsul încrucișat este o operație vectorială care are ca rezultat vectorul perpendicular pe ambele QV și B dată de regula dreaptă a celor trei vectori și cu mărimea ariei paralelogramei pe care o au vectorii QV și B interval. Regula din dreapta înseamnă că puteți determina direcția produsului încrucișat între QV și B plasând degetul arătător drept în direcția B, degetul mijlociu în direcția QV, iar direcția rezultată a degetului mare va fi direcția încrucișată a acestor doi vectori.

••• Syed Hussain Ather

În diagrama de mai sus, regula din dreapta demonstrează, de asemenea, relația dintre câmpul magnetic, forța magnetică și curentul printr-un fir. Acest lucru arată, de asemenea, produsul încrucișat între aceste trei cantități poate reprezenta regula din dreapta, deoarece produsul încrucișat între direcția forței și câmpul este egal cu direcția curenților.

Câmpul magnetic în viața de zi cu zi

Câmpurile magnetice de aproximativ 0,2 până la 0,3 tesla sunt utilizate în RMN, imagistica prin rezonanță magnetică. RMN-ul este o metodă pe care medicii o folosesc pentru a studia structurile interne din corpul pacienților, cum ar fi creierul, articulațiile și mușchii. Acest lucru se realizează în general prin plasarea pacientului într-un câmp magnetic puternic, astfel încât câmpul să se desfășoare de-a lungul axei corpului. Dacă vă imaginați că pacientul este un solenoid magnetic, curenții electrici s-ar înfășura în jurul corpului său, iar câmpul magnetic ar fi direcționat în direcția verticală în raport cu corpul, așa cum este dictat de regula din dreapta.

Oamenii de știință și medicii studiază apoi modul în care protonii se abat de la alinierea lor normală pentru a studia structurile din corpul pacienților. Prin aceasta, medicii pot face diagnostice sigure, non-invazive, de diferite afecțiuni.

Persoana nu simte câmpul magnetic în timpul procesului, dar, deoarece există atât de multă apă în corpul uman, nucleele de hidrogen (care sunt protoni) se aliniază datorită câmpului magnetic.Scanerul RMN folosește un câmp magnetic din care protonii absorb energia și, atunci când câmpul magnetic este oprit, protonii revin la pozițiile lor normale. Apoi, dispozitivul urmărește această schimbare de poziție pentru a determina modul în care protonii sunt aliniați și să creeze o imagine a interiorului corpului pacienților.