Wie funktionieren magnetische Felder?

•••Syed Hussain Ather

​Magnetfelderbeschreiben, wie sich die magnetische Kraft im Raum um Objekte verteilt. Im Allgemeinen verlaufen die magnetischen Feldlinien bei einem magnetischen Objekt vom Nordpol des Objekts zum Südpol, genau wie beim Erdmagnetfeld, wie im obigen Diagramm gezeigt.

Die gleiche magnetische Kraft, die Gegenstände an Kühlschrankoberflächen kleben lässt, wird im Erdmagnetfeld verwendet, das die Ozonschicht vor schädlichem Sonnenwind schützt. Das Magnetfeld bildet Energiepakete, die verhindern, dass die Ozonschicht Kohlendioxid verliert.

Sie können dies beobachten, indem Sie Eisenspäne, kleine pulverförmige Eisenstücke, in Gegenwart eines Magneten gießen. Legen Sie einen Magneten unter ein Stück Papier oder ein leichtes Tuch. Gießen Sie die Eisenspäne und beobachten Sie die Formen und Formationen, die sie annehmen. Bestimmen Sie, welche Feldlinien es geben müsste, damit sich die Späne gemäß der Magnetfeldphysik so anordnen und verteilen.

Je größer die Dichte der von Norden nach Süden gezogenen Magnetfeldlinien ist, desto größer ist die Stärke des Magnetfelds. Diese Nord- und Südpole bestimmen auch, ob magnetische Objekte anziehend (zwischen Nord- und Südpol) oder abstoßend (zwischen identischen Polen) sind. Magnetfelder werden in Einheiten von Tesla gemessen,

Da sich Magnetfelder bilden, wenn Ladungen in Bewegung sind, werden Magnetfelder durch elektrischen Strom durch Drähte induziert. Das Feld gibt Ihnen eine Möglichkeit, die potenzielle Stärke und Richtung einer magnetischen Kraft in Abhängigkeit vom Strom durch einen elektrischen Draht und der Entfernung, die der Strom zurücklegt, zu beschreiben. Magnetische Feldlinien bilden konzentrische Kreise um Drähte. Die Richtung dieser Felder kann über die „Rechte-Hand-Regel“ bestimmt werden.

Diese Regel sagt Ihnen, dass, wenn Sie Ihren rechten Daumen in Richtung des elektrischen Stroms durch einen Draht legen, die resultierenden Magnetfelder in die Richtung der Fingerbewegung Ihrer Hand sind. Bei größerem Strom wird ein größeres Magnetfeld induziert.

Sie können verschiedene Beispiele für dieRechte-Hand-Regel, eine allgemeine Regel zur Bestimmung der Richtung verschiedener Größen von Magnetfeld, Magnetkraft und Strom. Diese Faustregel ist für viele Fälle von Elektrizität und Magnetismus nützlich, wie es die Mathematik der Größen vorschreibt.

•••Syed Hussain Ather

Diese Rechte-Hand-Regel kann auch in die andere Richtung für ein magnetisches applied angewendet werdenSolenoid, oder eine Reihe von elektrischem Strom, die in Drähten um einen Magneten gewickelt sind. Wenn Sie mit dem rechten Daumen in Richtung des Magnetfeldes zeigen, umschließen sich die Finger der rechten Hand in Richtung des elektrischen Stroms. Mit Magnetventilen können Sie die Kraft des Magnetfelds durch elektrische Ströme nutzen.

•••Syed Hussain Ather

Wenn sich eine elektrische Ladung bewegt, wird das Magnetfeld erzeugt, da die Elektronen, die sich drehen und sich bewegen, selbst zu magnetischen Objekten werden. Elemente mit ungepaarten Elektronen im Grundzustand wie Eisen, Kobalt und Nickel können so ausgerichtet werden, dass sie Permanentmagnete bilden. Das von den Elektronen dieser Elemente erzeugte Magnetfeld lässt den elektrischen Strom leichter durch diese Elemente fließen. Magnetfelder selbst können sich auch gegenseitig aufheben, wenn sie in entgegengesetzte Richtungen gleich groß sind.

Strom fließt durch eine Batterieicherzeugt ein magnetisches FeldBim Radiusrnach der Gleichung fürAmpères Gesetz​:

woμ​₀ ist die magnetische Konstante der Vakuumpermeabilität,1,26 x 10^-6 Hm("Henries pro Meter", wobei Henries die Einheit der Induktivität ist). Sowohl eine Erhöhung des Stroms als auch eine Annäherung an den Draht erhöhen das resultierende Magnetfeld.

Damit ein Objekt magnetisch ist, müssen sich die Elektronen, aus denen das Objekt besteht, frei um und zwischen Atomen im Objekt bewegen können. Damit ein Material magnetisch ist, sind Atome mit ungepaarten Elektronen des gleichen Spins ideale Kandidaten, da sich diese Atome miteinander paaren können, damit die Elektronen frei fließen können. Das Testen von Materialien in Gegenwart von Magnetfeldern und die Untersuchung der magnetischen Eigenschaften der Atome, aus denen diese Materialien bestehen, können Ihnen etwas über ihren Magnetismus sagen.

​Ferromagnetehaben diese Eigenschaft, dass sie permanent magnetisch sind.Paramagnete, im Gegensatz dazu zeigt keine magnetischen Eigenschaften, es sei denn, es gibt ein Magnetfeld, um die Spins der Elektronen auszurichten, damit sie sich frei bewegen können.Diamagnetehaben atomare Zusammensetzungen, die von Magnetfeldern nicht oder nur sehr wenig beeinflusst werden. Sie haben keine oder wenige ungepaarte Elektronen, um Ladungen durchzulassen.

Paramagnete funktionieren, weil sie aus Materialien bestehen, die schon immermagnetische Momente, sogenannte Dipole. Diese Momente sind ihre Fähigkeit, sich aufgrund des Spins ungepaarter Elektronen in den Orbitalen der Atome, die diese Materialien herstellen, an einem externen Magnetfeld auszurichten. Bei Vorhandensein eines Magnetfelds richten sich die Materialien aus, um der Kraft des Magnetfelds entgegenzuwirken. Paramagnetische Elemente umfassen Magnesium, Molybdän, Lithium und Tantal.

Innerhalb eines ferromagnetischen Materials ist der Dipol der Atome permanent, normalerweise als Ergebnis der Erwärmung und Abkühlung des paramagnetischen Materials. Dies macht sie zu idealen Kandidaten für Elektromagnete, Motoren, Generatoren und Transformatoren für den Einsatz in elektrischen Geräten. Im Gegensatz dazu können Diamagnete eine Kraft erzeugen, die Elektronen in Form von Strom frei fließen lässt, der dann ein Magnetfeld erzeugt, das jedem an sie angelegten Magnetfeld entgegengesetzt ist. Dies hebt das Magnetfeld auf und verhindert, dass sie magnetisch werden.

Magnetfelder bestimmen, wie magnetische Kräfte in Gegenwart von magnetischem Material verteilt werden können. Während elektrische Felder die elektrische Kraft in Gegenwart eines Elektrons beschreiben, haben magnetische Felder kein solches analoges Teilchen, um die magnetische Kraft zu beschreiben. Wissenschaftler haben die Theorie aufgestellt, dass ein magnetischer Monopol existieren könnte, aber es gab keine experimentellen Beweise dafür, dass diese Teilchen existieren. Wenn sie existieren würden, würden diese Teilchen eine magnetische "Ladung" haben, ähnlich wie geladene Teilchen elektrische Ladungen haben.

Magnetkraft entsteht aufgrund der elektromagnetischen Kraft, der Kraft, die sowohl elektrische als auch magnetische Komponenten von Partikeln und Objekten beschreibt. Dies zeigt, wie intrinsischer Magnetismus für die gleichen Phänomene der Elektrizität wie Strom und elektrisches Feld gilt. Die Ladung eines Elektrons bewirkt, dass das Magnetfeld es durch magnetische Kraft ablenkt, ähnlich wie es ein elektrisches Feld und eine elektrische Kraft tun.

Während nur sich bewegende geladene Teilchen Magnetfelder abgeben und alle geladenen Teilchen abgeben give elektrische Felder, magnetische und elektromagnetische Felder sind Teil derselben Grundkraft von Elektromagnetismus. Die elektromagnetische Kraft wirkt zwischen allen geladenen Teilchen im Universum. Die elektromagnetische Kraft nimmt die Form alltäglicher Phänomene der Elektrizität und des Magnetismus an, wie zum Beispiel statische Elektrizität und die elektrisch geladenen Bindungen, die Moleküle zusammenhalten.

Diese Kraft bildet neben chemischen Reaktionen auch die Grundlage für die elektromotorische Kraft, die Strom durch Stromkreise fließen lässt. Wenn ein magnetisches Feld mit einem elektrischen Feld verflochten betrachtet wird, wird das resultierende Produkt als elektromagnetisches Feld bezeichnet.

DasLorentzkraftgleichung​

beschreibt die Kraft auf ein geladenes Teilchenqmit Geschwindigkeit bewegenvbei Vorhandensein eines elektrischen FeldesEund MagnetfeldB. In dieser Gleichung istxzwischenqvundBstellt das Kreuzprodukt dar. Der erste BegriffqEist der Beitrag des elektrischen Feldes zur Kraft, und der zweite Termqv x Bist der Beitrag des Magnetfeldes.

Die Lorentz-Gleichung sagt Ihnen auch, dass die magnetische Kraft zwischen Ladungsgeschwindigkeitvund das MagnetfeldBistqvbsinϕgegen Gebührqwoϕ("phi") ist der Winkel zwischenvundB, die kleiner als 1. sein muss80Grad. Wenn der Winkel zwischenvundBgrößer ist, sollten Sie den Winkel in die entgegengesetzte Richtung verwenden, um dies zu fixieren (aus der Definition eines Kreuzprodukts). Wennϕ0 ist, wie in, Geschwindigkeit und Magnetfeld in die gleiche Richtung zeigen, die Magnetkraft ist 0. Das Teilchen bewegt sich weiter, ohne vom Magnetfeld abgelenkt zu werden.

•••Syed Hussain Ather

Im obigen Diagramm ist das Kreuzprodukt zwischen zwei Vektoreneinundbistc. Beachten Sie die Richtung und Größe vonc. Es ist in der Richtung senkrecht zueinundbwenn durch die Rechte-Hand-Regel gegeben. Die Rechte-Hand-Regel bedeutet, dass die Richtung des resultierenden Kreuzproduktscwird durch die Richtung Ihres Daumens gegeben, wenn Ihr rechter Zeigefinger in Richtung zeigtbund dein rechter Mittelfinger ist in Richtungein​.

Das Kreuzprodukt ist eine Vektoroperation, die den Vektor senkrecht zu beiden ergibtqvundBgegeben durch die Rechte-Hand-Regel der drei Vektoren und mit der Größe der Fläche des Parallelogramms, dass die VektorenqvundBSpanne. Die Rechte-Hand-Regel bedeutet, dass Sie die Richtung des Kreuzprodukts zwischenqvundBindem Sie Ihren rechten Zeigefinger in RichtungB, dein Mittelfinger in Richtungqv, und die resultierende Richtung Ihres Daumens ist die Kreuzproduktrichtung dieser beiden Vektoren.

•••Syed Hussain Ather

Im obigen Diagramm zeigt die Rechte-Hand-Regel auch den Zusammenhang zwischen Magnetfeld, Magnetkraft und Strom durch einen Draht. Dies zeigt auch, dass das Kreuzprodukt zwischen diesen drei Größen die Rechte-Hand-Regel darstellen kann, da das Kreuzprodukt zwischen der Richtung der Kraft und dem Feld gleich der Richtung des Stroms ist.

Bei der MRT, der Magnetresonanztomographie, werden Magnetfelder von etwa 0,2 bis 0,3 Tesla verwendet. MRT ist eine Methode, die Ärzte verwenden, um innere Strukturen im Körper eines Patienten wie Gehirn, Gelenke und Muskeln zu untersuchen. Dies geschieht im Allgemeinen, indem der Patient in ein starkes Magnetfeld gebracht wird, so dass das Feld entlang der Körperachse verläuft. Wenn Sie sich vorstellen, dass der Patient ein Magnetmagnet ist, würden sich die elektrischen Ströme um seinen Körper wickeln und die Magnetfeld würde in vertikaler Richtung in Bezug auf den Körper gerichtet sein, wie von der rechten Hand vorgegeben Regel.

Wissenschaftler und Ärzte untersuchen dann, wie Protonen von ihrer normalen Ausrichtung abweichen, um die Strukturen im Körper eines Patienten zu untersuchen. Dadurch können Ärzte sichere, nicht-invasive Diagnosen verschiedener Erkrankungen stellen.

Die Person spürt das Magnetfeld während des Vorgangs nicht, aber weil es so viel Wasser gibt im menschlichen Körper richten sich die Wasserstoffkerne (die Protonen sind) aufgrund der magnetischen Feld. Der MRT-Scanner verwendet ein Magnetfeld, von dem die Protonen Energie absorbieren, und wenn das Magnetfeld ausgeschaltet wird, kehren die Protonen in ihre normale Position zurück. Das Gerät verfolgt dann diese Positionsänderung, um zu bestimmen, wie die Protonen ausgerichtet sind, und erstellt ein Bild des Inneren des Körpers des Patienten.