Πώς λειτουργούν τα μαγνητικά πεδία;

•••Σουντ Χουσεΐν Άθερ

​Μαγνητικά πεδίαπεριγράψτε πώς κατανέμεται η μαγνητική δύναμη μέσω του χώρου γύρω από τα αντικείμενα. Γενικά, για ένα αντικείμενο που είναι μαγνητικό, οι γραμμές μαγνητικού πεδίου ταξιδεύουν από τον βόρειο πόλο του αντικειμένου προς τον νότιο πόλο, όπως και για το μαγνητικό πεδίο της Γης, όπως φαίνεται στο παραπάνω διάγραμμα.

Η ίδια μαγνητική δύναμη που κάνει τα αντικείμενα να κολλάνε στις επιφάνειες του ψυγείου χρησιμοποιούνται στο μαγνητικό πεδίο της Γης που προστατεύει τη στιβάδα του όζοντος από επιβλαβείς ηλιακούς ανέμους. Το μαγνητικό πεδίο σχηματίζει πακέτα ενέργειας που εμποδίζουν το στρώμα του όζοντος να χάσει διοξείδιο του άνθρακα.

Μπορείτε να το παρατηρήσετε χύνοντας σίδερα, μικρά κομμάτια σιδήρου σε σκόνη, παρουσία μαγνητικού. Τοποθετήστε έναν μαγνήτη κάτω από ένα κομμάτι χαρτί ή ένα ελαφρύ φύλλο υφάσματος. Ρίξτε τα σίδερα και παρατηρήστε τα σχήματα και τους σχηματισμούς που παίρνουν. Καθορίστε ποιες γραμμές πεδίου θα έπρεπε να είναι για να προκαλέσουν την τακτοποίηση και την κατανομή των αρχειοθηκών έτσι σύμφωνα με τη φυσική των μαγνητικών πεδίων.

Όσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα των γραμμών μαγνητικού πεδίου που τραβιούνται από βορρά προς νότο, τόσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος του μαγνητικού πεδίου. Αυτοί οι βόρειοι και νότιοι πόλοι υπαγορεύουν επίσης εάν τα μαγνητικά αντικείμενα είναι ελκυστικά (μεταξύ βόρειων και νότιων πόλων) ή αποκρουστικά (μεταξύ πανομοιότυπων πόλων). Τα μαγνητικά πεδία μετρώνται σε μονάδες Tesla,Τ​.

Επειδή τα μαγνητικά πεδία σχηματίζονται όταν κινούνται φορτία, τα μαγνητικά πεδία προκαλούνται από ηλεκτρικό ρεύμα μέσω καλωδίων. Το πεδίο σάς δίνει έναν τρόπο να περιγράψετε την πιθανή ισχύ και κατεύθυνση μιας μαγνητικής δύναμης ανάλογα με το ρεύμα μέσω ενός ηλεκτρικού καλωδίου και την απόσταση που ταξιδεύει το ρεύμα. Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου σχηματίζουν ομόκεντρους κύκλους γύρω από σύρματα. Η κατεύθυνση αυτών των πεδίων μπορεί να καθοριστεί μέσω του "δεξιού κανόνα".

Αυτός ο κανόνας σας λέει ότι, εάν τοποθετήσετε τον δεξί αντίχειρά σας προς την κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος μέσω ενός καλωδίου, τα προκύπτοντα μαγνητικά πεδία είναι προς την κατεύθυνση του πώς κυρτώνουν τα δάχτυλά σας. Με μεγαλύτερο ρεύμα, προκαλείται μεγαλύτερο μαγνητικό πεδίο.

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε διαφορετικά παραδείγματα τουδεξί κανόνα, ένας γενικός κανόνας για τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης διαφορετικών ποσοτήτων που περιλαμβάνουν μαγνητικό πεδίο, μαγνητική δύναμη και ρεύμα. Αυτός ο βασικός κανόνας είναι χρήσιμος σε πολλές περιπτώσεις ηλεκτρικής ενέργειας και μαγνητισμού όπως υπαγορεύεται από τα μαθηματικά των ποσοτήτων.

•••Σουντ Χουσεΐν Άθερ

Αυτός ο δεξί κανόνας μπορεί επίσης να εφαρμοστεί στην άλλη κατεύθυνση για ένα μαγνητικόσωληνοειδέςή μια σειρά ηλεκτρικού ρεύματος τυλιγμένη σε καλώδια γύρω από έναν μαγνήτη. Εάν δείξετε τον δεξιό σας αντίχειρα προς την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου, τότε τα δεξιά σας δάχτυλα θα τυλίγονται γύρω από την κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος. Τα σωληνοειδή σας επιτρέπουν να αξιοποιήσετε τη δύναμη του μαγνητικού πεδίου μέσω ηλεκτρικών ρευμάτων.

•••Σουντ Χουσεΐν Άθερ

Όταν ένα ηλεκτρικό φορτίο ταξιδεύει, το μαγνητικό πεδίο δημιουργείται καθώς τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται και μετακινούνται γίνονται τα ίδια μαγνητικά αντικείμενα. Στοιχεία που έχουν αζεύγη ηλεκτρόνια στις καταστάσεις εδάφους τους όπως σίδηρος, κοβάλτιο και νικέλιο μπορούν να ευθυγραμμιστούν έτσι ώστε να σχηματίζουν μόνιμους μαγνήτες. Το μαγνητικό πεδίο που παράγεται από τα ηλεκτρόνια αυτών των στοιχείων αφήνει το ηλεκτρικό ρεύμα να ρέει πιο εύκολα μέσω αυτών των στοιχείων. Τα ίδια τα μαγνητικά πεδία μπορούν επίσης να ακυρώσουν το ένα το άλλο αν είναι ίσου μεγέθους σε αντίθετες κατευθύνσεις.

Ρεύμα που ρέει μέσω μπαταρίαςΕγώεκπέμπει ένα μαγνητικό πεδίοσισε ακτίναρσύμφωνα με την εξίσωση γιαΟ νόμος της Αμπέρ​:

όπουμ​₀ είναι η μαγνητική σταθερά διαπερατότητας κενού,1,26 χ 10^-6 Ω / μ("Henries ανά μέτρο" στο οποίο η Henries είναι η μονάδα επαγωγής). Αυξάνοντας το ρεύμα και πλησιάζοντας το καλώδιο, αυξάνουμε και το μαγνητικό πεδίο που προκύπτει.

Για να είναι ένα αντικείμενο μαγνητικό, τα ηλεκτρόνια που συνθέτουν το αντικείμενο πρέπει να είναι σε θέση να κινούνται ελεύθερα γύρω και μεταξύ ατόμων στο αντικείμενο. Για να είναι ένα μαγνητικό υλικό, άτομα με ζεύγη ηλεκτρόνια της ίδιας περιστροφής είναι ιδανικοί υποψήφιοι καθώς αυτά τα άτομα μπορούν να ζευγαρωθούν το ένα με το άλλο για να επιτρέψουν στα ηλεκτρόνια να ρέουν ελεύθερα. Ο έλεγχος των υλικών παρουσία μαγνητικών πεδίων και η εξέταση των μαγνητικών ιδιοτήτων των ατόμων που κάνουν αυτά τα υλικά μπορούν να σας πουν για τον μαγνητισμό τους.

​Σιδηρομαγνήτεςέχετε αυτήν την ιδιότητα που είναι μόνιμα μαγνητική.Παραμαγνήτες, αντίθετα, δεν θα εμφανίσει μαγνητικές ιδιότητες εκτός εάν υπάρχει μαγνητικό πεδίο για να ευθυγραμμιστούν οι περιστροφές των ηλεκτρονίων έτσι ώστε να μπορούν να κινούνται ελεύθερα.Διάμετροιέχουν ατομικές συνθέσεις έτσι ώστε να μην επηρεάζονται καθόλου από τα μαγνητικά πεδία ή να επηρεάζονται πολύ λίγο από τα μαγνητικά πεδία. Δεν έχουν ή μερικά ζεύγη ηλεκτρόνια για να αφήσουν τα φορτία να περάσουν.

Οι παραμαγνήτες λειτουργούν επειδή είναι κατασκευασμένοι από υλικά που έχουν πάνταμαγνητικές στιγμές, γνωστό ως δίπολα. Αυτές οι στιγμές είναι η ικανότητά τους να ευθυγραμμίζονται με ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο λόγω της περιστροφής των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων στις τροχιές των ατόμων που δημιουργούν αυτά τα υλικά. Παρουσία μαγνητικού πεδίου, τα υλικά ευθυγραμμίζονται ώστε να αντιτίθενται στη δύναμη του μαγνητικού πεδίου. Τα παραμαγνητικά στοιχεία περιλαμβάνουν μαγνήσιο, μολυβδαίνιο, λίθιο και ταντάλιο.

Σε ένα σιδηρομαγνητικό υλικό, το δίπολο των ατόμων είναι μόνιμο, συνήθως ως αποτέλεσμα του παραμαγνητικού υλικού θέρμανσης και ψύξης. Αυτό τους καθιστά ιδανικούς υποψήφιους για ηλεκτρομαγνήτες, κινητήρες, γεννήτριες και μετασχηματιστές για χρήση σε ηλεκτρικές συσκευές. Οι διάμετροι, αντίθετα, μπορούν να παράγουν μια δύναμη που επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να ρέουν ελεύθερα με τη μορφή ρεύματος που, στη συνέχεια, δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο αντίθετο από οποιοδήποτε μαγνητικό πεδίο εφαρμόζεται σε αυτά. Αυτό ακυρώνει το μαγνητικό πεδίο και τους εμποδίζει να γίνουν μαγνητικοί.

Τα μαγνητικά πεδία καθορίζουν τον τρόπο κατανομής των μαγνητικών δυνάμεων παρουσία μαγνητικού υλικού. Ενώ τα ηλεκτρικά πεδία περιγράφουν την ηλεκτρική δύναμη παρουσία ενός ηλεκτρονίου, τα μαγνητικά πεδία δεν έχουν παρόμοιο σωματίδιο πάνω στο οποίο να περιγράφουν τη μαγνητική δύναμη. Οι επιστήμονες έχουν θεωρήσει ότι μπορεί να υπάρχει μαγνητικό μονόπολο, αλλά δεν υπάρχουν πειραματικά στοιχεία που να δείχνουν ότι αυτά τα σωματίδια υπάρχουν. Εάν υπήρχαν, αυτά τα σωματίδια θα είχαν ένα μαγνητικό "φορτίο", όπως ακριβώς τα φορτισμένα σωματίδια έχουν ηλεκτρικά φορτία.

Η μαγνητική δύναμη προκύπτει λόγω της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, η δύναμη που περιγράφει τόσο ηλεκτρικά όσο και μαγνητικά συστατικά σωματιδίων και αντικειμένων. Αυτό δείχνει πώς ο εγγενής μαγνητισμός είναι στα ίδια φαινόμενα ηλεκτρικής ενέργειας όπως το ρεύμα και το ηλεκτρικό πεδίο. Το φορτίο ενός ηλεκτρονίου είναι αυτό που αναγκάζει το μαγνητικό πεδίο να το εκτρέψει μέσω μαγνητικής δύναμης όπως και το ηλεκτρικό πεδίο και η ηλεκτρική δύναμη.

Ενώ μόνο τα φορτισμένα σωματίδια εκπέμπουν μαγνητικά πεδία και όλα τα φορτισμένα σωματίδια εκπέμπουν ηλεκτρικά πεδία, μαγνητικά και ηλεκτρομαγνητικά πεδία είναι μέρος της ίδιας θεμελιώδους δύναμης του ηλεκτρομαγνητισμός. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη δρα μεταξύ όλων των φορτισμένων σωματιδίων στο σύμπαν. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη λαμβάνει τη μορφή καθημερινών φαινομένων στον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό, όπως ο στατικός ηλεκτρισμός και οι ηλεκτρικά φορτισμένοι δεσμοί που διατηρούν τα μόρια μαζί.

Αυτή η δύναμη μαζί με τις χημικές αντιδράσεις αποτελούν επίσης τη βάση για την ηλεκτροκινητική δύναμη που επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει μέσω κυκλωμάτων. Όταν ένα μαγνητικό πεδίο θεωρείται συνδεδεμένο με ένα ηλεκτρικό πεδίο, το προκύπτον προϊόν είναι γνωστό ως ηλεκτρομαγνητικό πεδίο.

οΕξίσωση δύναμης Lorentz​

περιγράφει τη δύναμη ενός φορτισμένου σωματιδίουεκινείται με ταχύτηταβπαρουσία ηλεκτρικού πεδίουμικαι μαγνητικό πεδίοσι. Σε αυτήν την εξίσωση τοΧμεταξύqvκαισιαντιπροσωπεύει το διασταυρούμενο προϊόν. Ο πρώτος όροςqEείναι η συμβολή του ηλεκτρικού πεδίου στη δύναμη και ο δεύτερος όροςqv x Βείναι η συμβολή του μαγνητικού πεδίου.

Η εξίσωση Lorentz σας λέει επίσης ότι η μαγνητική δύναμη μεταξύ της ταχύτητας φόρτισηςβκαι το μαγνητικό πεδίοσιείναιqvbsinϕμε χρέωσηεόπουϕ("phi") είναι η γωνία μεταξύβκαισι, το οποίο πρέπει να είναι μικρότερο από 180βαθμούς. Εάν η γωνία μεταξύβκαισιείναι μεγαλύτερη, τότε θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε τη γωνία προς την αντίθετη κατεύθυνση για να το διορθώσετε (από τον ορισμό ενός εγκάρσιου προϊόντος). Ανϕείναι 0, όπως στο σημείο ταχύτητας και μαγνητικού πεδίου στην ίδια κατεύθυνση, η μαγνητική δύναμη θα είναι 0. Το σωματίδιο θα συνεχίσει να κινείται χωρίς να εκτρέπεται από το μαγνητικό πεδίο.

•••Σουντ Χουσεΐν Άθερ

Στο παραπάνω διάγραμμα, το εγκάρσιο προϊόν μεταξύ δύο διανυσμάτωνένακαισιείναιντο. Σημειώστε την κατεύθυνση και το μέγεθος τουντο. Είναι προς την κατεύθυνση κάθετη προςένακαισιόταν δίνεται από τον δεξιό κανόνα. Ο δεξί κανόνας σημαίνει ότι η κατεύθυνση του προκύπτοντος διασταυρούμενου προϊόντοςντοδίνεται από την κατεύθυνση του αντίχειρα σας όταν το δεξί σας δείκτη είναι προς την κατεύθυνση τουσικαι το δεξί μεσαίο δάχτυλό σας είναι προς την κατεύθυνσηένα​.

Το εγκάρσιο προϊόν είναι μια λειτουργία φορέα που οδηγεί στον φορέα κάθετο και στα δύοqvκαισιδίνεται από τον δεξιό κανόνα των τριών διανυσμάτων και με το μέγεθος της περιοχής του παραλληλόγραμμου που τα διανύσματαqvκαισισπιθαμή. Ο δεξί κανόνας σημαίνει ότι μπορείτε να καθορίσετε την κατεύθυνση του μεταξύ των προϊόντων μεταξύqvκαισιτοποθετώντας το δεξί σας δείκτη προς την κατεύθυνση τουσι, το μεσαίο δάχτυλό σας προς την κατεύθυνση τουqvκαι η προκύπτουσα κατεύθυνση του αντίχειρα σας θα είναι η κατεύθυνση μεταξύ προϊόντων αυτών των δύο διανυσμάτων.

•••Σουντ Χουσεΐν Άθερ

Στο παραπάνω διάγραμμα, ο δεξί κανόνας δείχνει επίσης τη σχέση μεταξύ μαγνητικού πεδίου, μαγνητικής δύναμης και ρεύματος μέσω καλωδίου. Αυτό δείχνει επίσης ότι το διασταυρούμενο προϊόν μεταξύ αυτών των τριών ποσοτήτων μπορεί να αντιπροσωπεύει τον δεξιό κανόνα καθώς το εγκάρσιο προϊόν μεταξύ της κατεύθυνσης της δύναμης και του πεδίου ισούται με την κατεύθυνση του ρεύματος.

Μαγνητικά πεδία περίπου 0,2 έως 0,3 tesla χρησιμοποιούνται σε μαγνητική τομογραφία, μαγνητική τομογραφία. Η μαγνητική τομογραφία είναι μια μέθοδος που χρησιμοποιούν οι γιατροί για να μελετήσουν εσωτερικές δομές μέσα στο σώμα ενός ασθενούς, όπως ο εγκέφαλος, οι αρθρώσεις και οι μύες. Αυτό γίνεται γενικά τοποθετώντας τον ασθενή σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο έτσι ώστε το πεδίο να διατρέχει τον άξονα του σώματος. Εάν φανταστείτε ότι ο ασθενής ήταν μαγνητική ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, τα ηλεκτρικά ρεύματα θα τυλίγονταν γύρω από το σώμα του και το το μαγνητικό πεδίο κατευθύνεται στην κατακόρυφη κατεύθυνση σε σχέση με το σώμα, όπως υπαγορεύεται από το δεξί χέρι κανόνας.

Στη συνέχεια, οι επιστήμονες και οι γιατροί μελετούν τους τρόπους που τα πρωτόνια αποκλίνουν από την κανονική τους ευθυγράμμιση για να μελετήσουν τις δομές μέσα στο σώμα ενός ασθενούς. Μέσω αυτού, οι γιατροί μπορούν να κάνουν ασφαλείς, μη επεμβατικές διαγνώσεις διαφόρων καταστάσεων.

Το άτομο δεν αισθάνεται το μαγνητικό πεδίο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, αλλά, επειδή υπάρχει τόσο πολύ νερό στο ανθρώπινο σώμα, οι πυρήνες υδρογόνου (που είναι πρωτόνια) ευθυγραμμίζονται λόγω του μαγνητικού πεδίο. Ο σαρωτής MRI χρησιμοποιεί ένα μαγνητικό πεδίο από το οποίο τα πρωτόνια απορροφούν ενέργεια και, όταν το μαγνητικό πεδίο είναι απενεργοποιημένο, τα πρωτόνια επιστρέφουν στις κανονικές τους θέσεις. Στη συνέχεια, η συσκευή παρακολουθεί αυτήν την αλλαγή θέσης για να καθορίσει πώς ευθυγραμμίζονται τα πρωτόνια και δημιουργεί μια εικόνα του εσωτερικού του σώματος του ασθενούς.