Hvordan fungerer magnetfelter?

•••Syed Hussain Ather

​Magnetiske felterbeskrive, hvordan magnetkraften fordeles gennem rummet omkring objekter. Generelt for en genstand, der er magnetisk, bevæger de magnetiske feltlinjer sig fra objektets nordpol til sydpolen, ligesom de gør for jordens magnetfelt, som vist i diagrammet ovenfor.

Den samme magnetiske kraft, der får genstande til at holde sig 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 jernarkasser, små pulverlignende stykker jern, i nærværelse af en magnet. Placer en magnet under et stykke papir eller et let ark klud. Hæld jernpapirerne og observer de former og formationer, de tager. Bestem hvilke feltlinjer der skulle være for at få arkiveringerne til at arrangere og fordele sig sådan i henhold til magnetfeltsfysik.

Jo større tætheden af ​​de magnetiske feltlinjer trukket fra nord til syd, jo større er magnetfeltets størrelse. Disse nord- og sydpoler dikterer også, om magnetiske objekter er attraktive (mellem nord- og sydpoler) eller frastødende (mellem identiske poler). Magnetfelter måles i enheder af Tesla,

Fordi magnetfelter dannes, når ladninger er i bevægelse, induceres magnetfelter fra elektrisk strøm gennem ledninger. Feltet giver dig en måde at beskrive den potentielle styrke og retning af en magnetisk kraft afhængigt af strømmen gennem en elektrisk ledning og afstanden, som strømmen bevæger sig. Magnetfeltlinjer danner koncentriske cirkler omkring ledninger. Retningen af ​​disse felter kan bestemmes via "højrehåndsreglen".

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 din hånds fingre krøller. Med større strøm induceres større magnetfelt.

Du kan bruge forskellige eksempler påhøjre håndsregel, en generel regel til bestemmelse af retningen af ​​forskellige størrelser, der involverer magnetfelt, magnetisk kraft og strøm. Denne tommelfingerregel er nyttig i mange tilfælde inden for elektricitet og magnetisme som dikteret af mængdenes matematik.

•••Syed Hussain Ather

Denne højreregel kan også anvendes i en anden retning for en magnetiskmagnetventileller en række elektriske strømme viklet ind 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 de elektroner, der roterer og bevæger sig rundt, selv bliver magnetiske objekter. Elementer, der har uparrede elektroner i deres jordtilstande som jern, cobalt og nikkel, kan justeres således, at de danner permanente magneter. Det magnetiske felt, der produceres af disse elementers elektroner, lader den elektriske strøm lettere strømme gennem disse elementer. Magnetfelter i sig selv kan også fjerne hinanden, hvis de er lige store i modsatte retninger.

Strøm strømmer gennem et batterijegafgiver et magnetfeltBi radiusrifølge ligningen forAmpères lov​:

hvorμ​₀ er den magnetiske konstant for vakuumpermeabilitet,1,26 x 10^-6 H / m("Henries pr. Meter", hvor Henries er induktansenheden). At øge strømmen og komme tættere på ledningen øger begge det magnetiske felt, der resulterer.

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 ikke-parrede elektroner med samme spin ideelle kandidater, da disse atomer kan parres med hinanden for at tillade elektroner at strømme frit. At teste materialer i nærvær af magnetfelter og undersøge de magnetiske egenskaber af atomer, der fremstiller disse materialer, kan fortælle dig om deres magnetisme.

​Ferromagneterhar denne egenskab, at de er permanent magnetiske.Paramagneterderimod viser de ikke magnetiske egenskaber, medmindre i nærværelse af et magnetfelt for at linke elektronernes spins op, så de kan bevæge sig frit.Diamagneterhar atomsammensætninger sådan, at de overhovedet ikke påvirkes af magnetfelter eller kun påvirkes meget lidt af magnetfelter. De har ingen eller få ikke-parrede elektroner til at lade ladninger strømme igennem.

Paramagneter fungerer, fordi de er lavet af materialer, der altid har gjortmagnetiske øjeblikke, kendt som dipoler. Disse øjeblikke er deres evne til at tilpasse sig med et eksternt magnetfelt på grund af centrifugering af ikke-parrede elektroner i atomerne, der fremstiller disse materialer. I nærværelse af et magnetfelt justeres materialerne for at modsætte sig magnetfeltets kraft. Paramagnetiske elementer inkluderer magnesium, molybdæn, lithium og tantal.

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

Magnetfelter bestemmer, hvordan magnetiske kræfter kan fordeles i nærvær af magnetisk materiale. Mens elektriske felter beskriver den elektriske kraft i nærværelse af en elektron, har magnetfelter ingen sådan analog partikel, som magnetisk kraft kan beskrives på. Forskere har teoretiseret, at der kan eksistere en magnetisk monopol, men der har ikke været eksperimentelle beviser for, at disse partikler eksisterer. 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, den kraft, der beskriver både elektriske og magnetiske komponenter af partikler og genstande. Dette viser, hvordan indre magnetisme er for de samme fænomener med elektricitet som strøm og elektrisk felt. Opladningen af ​​en elektron er, hvad der får magnetfeltet til at afbøje det gennem magnetisk kraft på samme måde som elektrisk felt og elektrisk kraft gør.

Mens kun ladede ladede partikler afgiver magnetfelter, og alle ladede partikler afgiver elektriske felter, magnetiske og elektromagnetiske felter er 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 hverdagens 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 strøm strømme gennem kredsløb. Når et magnetfelt ses sammenflettet med et elektrisk felt, er det resulterende produkt kendt som et elektromagnetisk felt.

DetLorentz kraftligning​

beskriver kraften på en ladet partikelqbevæger sig med hastighedvi nærværelse af et elektrisk feltEog magnetfeltB. I denne ligning erxmellemqvogBrepræsenterer krydsproduktet. Den første periodeqEer det elektriske felts bidrag til kraften, og det andet udtrykqv x Ber magnetfeltets bidrag.

Lorentz-ligningen fortæller dig også, at den magnetiske kraft mellem ladningshastighedenvog magnetfeltetBerqvbsinϕmod et gebyrqhvorϕ("phi") er vinklen mellemvogB, som skal være mindre end 180grader. Hvis vinklen mellemvogBer større, skal du bruge vinklen i den modsatte retning for at rette dette (fra definitionen af ​​et krydsprodukt). Hvisϕer 0, som i, hastighed og magnetfelt peger i samme retning, vil magnetkraften være 0. Partiklen vil fortsætte med at bevæge sig uden at blive afbøjet af magnetfeltet.

•••Syed Hussain Ather

I diagrammet ovenfor krydsproduktet mellem to vektorer-enogberc. Bemærk retningen og størrelsen afc. Det er i retningen vinkelret på-enogbnår det er givet af højrehåndsreglen. Højre-reglen betyder, at retningen af ​​det resulterende krydsproduktcgives af retningen af ​​din tommelfinger, når din højre pegefinger er i retning afbog din højre langfinger er i retning af-en​.

Tværproduktet er en vektoroperation, der resulterer i vektoren vinkelret på begge deleqvogBgivet ved højrereglen for de tre vektorer og med størrelsen af ​​det areal af parallelogrammet, som vektorerne harqvogBspændvidde Højre-reglen betyder, at du kan bestemme retningen for krydsproduktet imellemqvogBved at placere din højre pegefinger i retning afB, din langfinger i retning afqv, og den resulterende retning af din tommelfinger vil være tværproduktretningen af ​​disse to vektorer.

•••Syed Hussain Ather

I diagrammet ovenfor viser højrereglen også forholdet mellem magnetfelt, magnetisk kraft og strøm gennem en ledning. Dette viser også krydsproduktet mellem disse tre størrelser kan repræsentere højrehåndsreglen, da krydsproduktet mellem kraftens retning og feltet er lig med strømens retning.

Magnetfelter på omkring 0,2 til 0,3 tesla anvendes i MR, magnetisk resonansbilleddannelse. MR er en metode, som læger bruger til at studere interne strukturer i en patients krop som hjerne, led og muskler. Dette gøres generelt ved at placere patienten inden for et stærkt magnetfelt, således at feltet løber langs kroppens akse. Hvis du forestiller dig, at patienten var en magnetisk solenoid, ville de elektriske strømme vikle sig omkring hans eller hendes krop og magnetfelt ville blive rettet i lodret retning i forhold til kroppen, som dikteret af højre hånd Herske.

Forskere og læger undersøger derefter måderne, hvorpå protoner afviger fra deres normale tilpasning, for at studere strukturer i en patients krop. 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 menneskekroppen retter brintkernerne (som er protoner) sig på grund af det magnetiske Mark. MR-scanneren bruger et magnetfelt, som protonerne absorberer 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 skabe et billede af indersiden af ​​patientens krop.