Как работят магнитните полета?

•••Syed Hussain Ather

​Магнитни полетаопише как магнитната сила се разпределя в пространството около обектите. Обикновено за обект, който е магнитен, линиите на магнитното поле се движат от северния полюс на обекта към южния полюс, точно както правят за магнитното поле на Земята, както е показано на диаграмата по-горе.

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

Можете да наблюдавате това чрез изливане на железни стружки, малки прахообразни парчета желязо, в присъствието на магнит. Поставете магнит под парче хартия или лек лист плат. Изсипете железните стружки и наблюдавайте формите и образуванията, които приемат. Определете какви полеви линии трябва да има, за да накарат стружките да се подредят и разпределят 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 северни и южни полюси също диктуват дали магнитните обекти са привлекателни (между северния и южния полюс) или отблъскващи (между еднакви полюси). Магнитните полета се измерват в единици Тесла,T​.

Тъй като магнитните полета се образуват винаги, когато зарядите са в движение, магнитните полета се индуцират от електрически ток през проводници. Полето ви дава начин да опишете потенциалната сила и посока на магнитната 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 се определи чрез „правилото отдясно“.

Това правило ви казва, че ако поставите десния си палец в посока на електрически ток през проводник, получените магнитни полета са в посока на начина, по който пръстите на ръката ви се извиват. При по-голям ток се индуцира по-голямо магнитно поле.

Можете да използвате различни примери задясно правило, общо правило за определяне на посоката на различни величини, включващи магнитно поле, магнитна сила и ток. Това правило е полезно за много случаи в електричеството и магнетизма, както е продиктувано от математиката на величините.

•••Syed Hussain Ather

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

•••Syed Hussain Ather

Когато електрически заряд се движи, магнитното поле се генерира, тъй като електроните, които се въртят и движат, се превръщат в магнитни обекти. Елементи, които имат несдвоени електрони в основното си състояние, като желязо, кобалт и никел, могат да бъдат подравнени така, че да образуват постоянни магнити. Магнитното поле, произведено от електроните на тези елементи, позволява по-лесно протичане на електрически ток през тези елементи. Самите магнитни полета също могат да се отменят, ако са равни по големина в противоположни посоки.

Ток, протичащ през батерияАзиздава магнитно полеБ.в радиусrспоред уравнението заЗаконът на Ампер​:

къдетоμ​₀ е магнитната константа на вакуумната пропускливост,1,26 х 10^-6 H / m("Henries на метър", в който Henries е единица за индуктивност). Увеличаването на тока и приближаването до проводника едновременно увеличават магнитното поле, което се получава.

За да бъде обектът магнитен, електроните, съставляващи обекта, трябва да могат свободно да се движат около и между атомите в обекта. За да бъде материалът магнитен, атомите с несдвоени електрони със същия спин са идеални кандидати, тъй като тези атоми могат да се сдвоят помежду си, за да позволят на електроните да текат свободно. Тестването на материали в присъствието на магнитни полета и изследването на магнитните свойства на атомите, които правят тези материали, може да ви разкаже за техния магнетизъм.

​Феромагнетициимат това свойство, че са постоянно магнитни.Парамагнетициза разлика от това няма да проявява магнитни свойства, освен ако в присъствието на магнитно поле не подрежда въртенията на електроните нагоре, така че те да могат да се движат свободно.Диамагнетициимат атомни състави, така че те изобщо не се влияят от магнитни полета или са засегнати много малко от магнитни полета. Те нямат или малко несдвоени електрони, които да пропускат заряди.

Парамагнетиците работят, защото са направени от материали, които винаги са ималимагнитни моменти, известни като диполи. Тези моменти са способността им да се подравнят 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 феромагнитния 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. Диамагнетиците, за разлика от тях, могат да произведат сила, която позволява на електроните да текат свободно под формата на ток, който след това създава магнитно поле, противоположно на всяко магнитно поле, приложено към тях. Това отменя магнитното поле и им пречи да станат магнитни.

Магнитните полета определят как магнитните сили могат да бъдат разпределени в присъствието на магнитен материал. Докато електрическите полета описват електрическата сила в присъствието на електрон, магнитните полета нямат такива аналогични частици, върху които да опишат магнитната сила. Учените предполагат, че може да съществува магнитен монопол, но няма експериментални доказателства, които да показват, че тези частици съществуват. Ако те съществуват, тези частици биха имали магнитен "заряд" по същия начин, по който заредените частици имат електрически заряди.

Магнитната сила се дължи на електромагнитната сила, силата, която описва както електрически, така и магнитни компоненти на частици и предмети. Това показва колко е присъщ магнетизмът на същите явления на електричеството като ток и електрическо поле. Зарядът на електрона е това, което кара магнитното поле да го отклонява чрез магнитна сила по същия начин, както електрическото поле и електрическата сила.

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

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

TheУравнение на силата на Лоренц​

описва силата върху заредена частицаqдвижещи се със скоростvв присъствието на електрическо полеЕ.и магнитно полеБ.. В това уравнениехмеждуqvиБ.представлява кръстосания продукт. Първият срокqEе приносът на електрическото поле към силата, а вторият членqv x Bе приносът на магнитното поле.

Уравнението на Лоренц също ви казва, че магнитната сила между скоростта на зарежданеvи магнитното полеБ.еqvbsinϕсрещу заплащанеqкъдетоϕ("phi") е ъгълът междуvиБ., което трябва да е по-малко от 180градуса. Ако ъгълът междуvиБ.е по-голямо, тогава трябва да използвате ъгъла в обратната посока, за да поправите това (от дефиницията на кръстосан продукт). Акоϕе 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.

•••Syed Hussain Ather

В диаграмата по-горе кръстосаното произведение между два векторааибе° С. Обърнете внимание на посоката и големината на° С. Той е в посоката, перпендикулярна нааибкогато е дадено от правилото за дясната ръка. Правилото отдясно означава, че посоката на получения кръстосан продукт° Ссе дава от посоката на палеца, когато десният показалец е в посокаба десният ви среден пръст е в посокаа​.

Кръстосаният продукт е векторна операция, която води до вектора, перпендикулярен и на дветеqvиБ.дадено от правилото на дясната страна на трите вектора и с величина на площта на успоредника, че векторитеqvиБ.обхват. Правилото отдясно означава, че можете да определите посоката на кръстосания продукт между тяхqvиБ.като поставите десния си показалец в посокаБ., средния пръст в посокаqv, а получената посока на палеца ви ще бъде посоката на кръстосания продукт на тези два вектора.

•••Syed Hussain Ather

В диаграмата по-горе правилото отдясно също показва връзката между магнитното поле, магнитната сила и тока през проводник. Това също показва, че кръстосаният продукт между тези три величини може да представлява правилното правило, тъй като кръстосаният продукт между посоката на силата и полето е равен на посоката на тока.

Магнитни полета от около 0,2 до 0,3 тесла се използват при ядрено-магнитен резонанс, ядрено-магнитен резонанс. ЯМР е метод, който лекарите използват за изследване на вътрешни структури в тялото на пациента като мозъка, ставите и мускулите. Това обикновено се прави чрез поставяне на пациента в силно магнитно поле, така че полето да минава по оста на тялото. Ако си представите, че пациентът е магнитен соленоид, електрическите токове биха се увили около неговото или нейното тяло и магнитното поле ще бъде насочено във вертикална посока спрямо тялото, както е продиктувано от дясната ръка правило.

След това учени и лекари изучават начините, по които протоните се отклоняват от нормалното си подреждане, 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 има толкова много вода в човешкото тяло водородните ядра (които са протони) се подравняват благодарение на магнитното поле. ЯМР скенерът използва магнитно поле, от което протоните абсорбират енергия, и когато магнитното поле е изключено, протоните се връщат в нормалните си позиции. След това устройството проследява тази промяна в позицията, за да определи как са подравнени протоните и да създаде изображение от вътрешната страна на тялото на пациента.