Jak fungují magnetická pole?

•••Syed Hussain Ather

​Magnetické polepopsat, jak je magnetická síla distribuována prostorem kolem objektů. Obecně platí, že u magnetického objektu se čáry magnetického pole pohybují od severního pólu k jižnímu pólu, stejně jako u magnetického pole Země, jak je znázorněno na obrázku výše.

Stejná magnetická síla, díky níž se objekty lepí na povrchy chladničky, se používá v magnetickém poli Země, které chrání ozonovou vrstvu před škodlivým slunečním větrem. Magnetické pole tvoří balíčky energie, které zabraňují ztrátě oxidu uhličitého v ozonové vrstvě.

Můžete to pozorovat nalitím železných pilin, malých kousků železa podobných prášku, v přítomnosti magnetu. Pod kousek papíru nebo lehkého plátna položte magnet. Nalijte železné piliny a sledujte tvary a útvary, které berou. Určete, jaké siločáry by musely existovat, aby způsobily, že se piliny takto uspořádají a distribuují podle fyziky magnetických polí.

Čím větší je hustota čar magnetického pole tažených ze severu na jih, tím větší je velikost magnetického pole. Tyto severní a jižní póly také diktují, zda jsou magnetické objekty atraktivní (mezi severním a jižním pólem) nebo odpudivé (mezi stejnými póly). Magnetická pole se měří v jednotkách Tesla,

Protože magnetické pole se vytváří, kdykoli jsou náboje v pohybu, jsou magnetická pole indukována z elektrického proudu vodiči. Toto pole poskytuje způsob, jak popsat potenciální sílu a směr magnetické síly v závislosti na proudu procházejícím elektrickým vodičem a vzdálenosti, kterou proud prochází. Čáry magnetického pole tvoří soustředné kruhy kolem vodičů. Směr těchto polí lze určit pomocí „pravicového pravidla“.

Toto pravidlo vám říká, že pokud umístíte pravý palec ve směru elektrického proudu do drátu, výsledná magnetická pole jsou ve směru, jak se prsty vaší ruky zkroutí. S větším proudem je indukováno větší magnetické pole.

Můžete použít různé příkladypravidlo pravé ruky, obecné pravidlo pro určování směru různých veličin zahrnujících magnetické pole, magnetickou sílu a proud. Toto základní pravidlo je užitečné pro mnoho případů elektřiny a magnetismu, jak to vyžaduje matematika veličin.

•••Syed Hussain Ather

Toto pravidlo pro pravou ruku lze u magnetu použít také v opačném směrusolenoid, nebo série elektrického proudu omotaného dráty kolem magnetu. Pokud nasměrujete palec pravé ruky ve směru magnetického pole, prsty pravé ruky se omotají ve směru elektrického proudu. Solenoidy vám umožňují využít sílu magnetického pole prostřednictvím elektrických proudů.

•••Syed Hussain Ather

Když se elektrický náboj pohybuje, generuje se magnetické pole, když se elektrony, které se otáčejí a pohybují, stávají samy magnetickými objekty. Prvky, které mají ve svých základních stavech nepárové elektrony, jako je železo, kobalt a nikl, mohou být srovnány tak, že tvoří permanentní magnety. Magnetické pole produkované elektrony těchto prvků umožňuje snadnější protékání elektrického proudu těmito prvky. Samotná magnetická pole se mohou také navzájem rušit, pokud mají stejnou velikost v opačných směrech.

Proud protékající bateriíJávydává magnetické poleBv okruhurpodle rovnice proAmpereův zákon​:

kdeμ​₀ je magnetická konstanta propustnosti vakua,1,26 x 10^-6 H / m(„Henries na metr“, ve kterém je Henries jednotkou indukčnosti). Zvýšení proudu a přiblížení k vodiči zvyšují výsledné magnetické pole.

Aby byl objekt magnetický, musí být elektrony, které jej tvoří, schopné volně se pohybovat kolem a mezi atomy v objektu. Aby byl materiál magnetický, jsou ideálními atomy s nepárovými elektrony stejné rotace, protože tyto atomy se mohou navzájem spárovat, aby umožnily volnému toku elektronů. Testování materiálů v přítomnosti magnetických polí a zkoumání magnetických vlastností atomů, které tyto materiály vytvářejí, vám může říci o jejich magnetismu.

​Feromagnetymít tuto vlastnost, že jsou permanentně magnetické.Paramagnetynaopak nebude zobrazovat magnetické vlastnosti, pokud v přítomnosti magnetického pole nevyrovná spiny elektronů tak, aby se mohly volně pohybovat.Diamagnetymají atomová složení taková, že nejsou vůbec ovlivněna magnetickými poli nebo jsou magnetickými poli ovlivněna jen velmi málo. Nemají žádné nebo málo nepárových elektronů, které by umožňovaly protékat náboji.

Paramagnety fungují, protože jsou vyrobeny z materiálů, které vždy existujímagnetické momenty, známé jako dipóly. Těmito momenty je jejich schopnost vyrovnat se s vnějším magnetickým polem v důsledku otáčení nepárových elektronů na orbitálech atomů, které tyto materiály vytvářejí. V přítomnosti magnetického pole se materiály vyrovnají, aby se postavily proti síle magnetického pole. Mezi paramagnetické prvky patří hořčík, molybden, lithium a tantal.

Ve feromagnetickém materiálu je dipól atomů trvalý, obvykle jako výsledek zahřívání a chlazení paramagnetického materiálu. Díky tomu jsou ideálními kandidáty na elektromagnety, motory, generátory a transformátory pro použití v elektrických zařízeních. Naproti tomu diamanty mohou vytvářet sílu, která umožňuje elektronům volně proudit ve formě proudu, který pak vytváří magnetické pole naproti jakémukoli magnetickému poli na ně aplikovanému. Tím se zruší magnetické pole a zabrání se jejich magnetizaci.

Magnetické pole určuje, jak mohou být magnetické síly rozloženy v přítomnosti magnetického materiálu. Zatímco elektrická pole popisují elektrickou sílu v přítomnosti elektronu, magnetická pole nemají takové analogické částice, které by popisovaly magnetickou sílu. Vědci se domnívali, že může existovat magnetický monopol, ale neexistují experimentální důkazy o tom, že tyto částice existují. Pokud by existovaly, měly by tyto částice magnetický „náboj“ podobně, jako mají nabité částice elektrické náboje.

Výsledkem magnetické síly je elektromagnetická síla, síla popisující elektrické i magnetické složky částic a předmětů. To ukazuje, jak je vnitřní magnetismus na stejné jevy elektřiny, jako je proud a elektrické pole. Náboj elektronu je to, co způsobí, že magnetické pole jej vychýlí magnetickou silou podobně, jako to dělá elektrické pole a elektrická síla.

Zatímco pouze pohybující se nabité částice vydávají magnetická pole a všechny nabité částice vydávají elektrická pole, magnetická a elektromagnetická pole jsou součástí stejné základní síly elektromagnetismus. Elektromagnetická síla působí mezi všemi nabitými částicemi ve vesmíru. Elektromagnetická síla má podobu každodenních jevů v elektřině a magnetismu, jako je statická elektřina a elektricky nabité vazby, které drží molekuly pohromadě.

Tato síla vedle chemických reakcí také tvoří základ pro elektromotorickou sílu, která umožňuje proud protékat obvody. Při pohledu na magnetické pole propletené s elektrickým polem je výsledný produkt známý jako elektromagnetické pole.

TheLorentzova rovnice sil​

popisuje sílu na nabitou částiciqpohybující se rychlostíprotiv přítomnosti elektrického poleEa magnetické poleB. V této rovniciXmeziqvaBpředstavuje vedlejší produkt. První termínqEje příspěvek elektrického pole k síle a druhý členqv x Bje příspěvek magnetického pole.

Lorentzova rovnice vám také říká, že magnetická síla mezi rychlostí nábojeprotia magnetické poleBjeqvbsinϕza poplatekqkdeϕ(„phi“) je úhel meziprotiaB, která musí být menší než 180stupňů. Pokud je úhel meziprotiaBje větší, měli byste to opravit pomocí úhlu v opačném směru (z definice křížového produktu). Liϕje 0, stejně jako v, rychlost a bod magnetického pole ve stejném směru, magnetická síla bude 0. Částice se bude i nadále pohybovat, aniž by byla vychýlena magnetickým polem.

•••Syed Hussain Ather

Ve výše uvedeném diagramu je vzájemný součin mezi dvěma vektoryAabjeC. Všimněte si směru a velikostiC. Je to ve směru kolmém naAabpokud je dán pravidlem pravé ruky. Pravidlo na pravé straně znamená, že směr výsledného křížového produktuCje dáno směrem vašeho palce, když je váš pravý ukazováček ve směruba váš pravý prostředníček je ve směruA​.

Křížový produkt je vektorová operace, jejímž výsledkem je vektor kolmý k oběmaqvaBdané pravidlem pravice tří vektorů a velikostí plochy rovnoběžníku, kterou vektoryqvaBrozpětí. Pravidlo na pravé straně znamená, že můžete určit směr křížového produktu meziqvaBumístěním pravého ukazováčku ve směruB, prostřední prst ve směruqva výsledný směr vašeho palce bude směrem křížového součinu těchto dvou vektorů.

•••Syed Hussain Ather

Ve výše uvedeném diagramu pravidlo na pravé straně také ukazuje vztah mezi magnetickým polem, magnetickou silou a proudem vedeným drátem. To také ukazuje, že křížový součin mezi těmito třemi veličinami může představovat pravidlo pravé ruky, protože křížový součin mezi směrem síly a polem se rovná směru proudu.

Magnetická pole kolem 0,2 až 0,3 tesla se používají při MRI, zobrazování magnetickou rezonancí. MRI je metoda, kterou lékaři používají ke studiu vnitřních struktur v těle pacienta, jako je mozek, klouby a svaly. To se obvykle provádí umístěním pacienta do silného magnetického pole tak, aby pole probíhalo podél osy těla. Pokud si představíte, že by pacient byl magnetický solenoid, elektrické proudy by se obalily kolem jeho těla a těla magnetické pole by bylo směrováno ve svislém směru vzhledem k tělu, jak to určuje pravá ruka pravidlo.

Vědci a lékaři poté studují způsoby, jak se protony odchylují od jejich normálního uspořádání, aby studovaly struktury v těle pacienta. Díky tomu mohou lékaři provádět bezpečné, neinvazivní diagnózy různých stavů.

Osoba během procesu necítí magnetické pole, ale proto, že je tolik vody v lidském těle se vodíková jádra (která jsou protony) srovnávají díky magnetickému pole. Skener MRI používá magnetické pole, ze kterého protony absorbují energii, a když je magnetické pole vypnuto, protony se vrátí do své normální polohy. Zařízení poté sleduje tuto změnu polohy, aby určilo, jak jsou protony zarovnány, a vytvořil obraz vnitřku těla pacienta.