Come funzionano i campi magnetici?

•••Syed Hussain Ather

​Campi magneticidescrivere come la forza magnetica è distribuita nello spazio intorno agli oggetti. Generalmente, per un oggetto magnetico, le linee del campo magnetico viaggiano dal polo nord dell'oggetto al polo sud, proprio come fanno per il campo magnetico terrestre, come mostrato nel diagramma sopra.

La stessa forza magnetica che fa aderire gli oggetti alle superfici del frigorifero viene utilizzata nel campo magnetico terrestre che protegge lo strato di ozono dal vento solare dannoso. Il campo magnetico forma pacchetti di energia che impediscono allo strato di ozono di perdere anidride carbonica.

Puoi osservarlo versando limatura di ferro, piccoli pezzi di ferro simili a polvere, in presenza di un magnete. Metti un magnete sotto un pezzo di carta o un foglio di stoffa leggero. Versare la limatura di ferro e osservare le forme e le formazioni che assumono. Determina quali linee di campo dovrebbero esserci per far sì che la limatura si disponga e si distribuisca in questo modo secondo la fisica dei campi magnetici.

Maggiore è la densità delle linee del campo magnetico tracciate da nord a sud, maggiore è la grandezza del campo magnetico. Questi poli nord e sud determinano anche se gli oggetti magnetici sono attraenti (tra i poli nord e sud) o repulsivi (tra poli identici). I campi magnetici sono misurati in unità di Tesla,T​.

Poiché i campi magnetici si formano ogni volta che le cariche sono in movimento, i campi magnetici sono indotti dalla corrente elettrica attraverso i fili. Il campo ti dà un modo per descrivere la forza potenziale e la direzione di una forza magnetica a seconda della corrente attraverso un filo elettrico e della distanza percorsa dalla corrente. Le linee del campo magnetico formano cerchi concentrici attorno ai fili. La direzione di questi campi può essere determinata tramite la "regola della mano destra".

Questa regola ti dice che, se metti il ​​pollice destro nella direzione della corrente elettrica attraverso un filo, i campi magnetici risultanti sono nella direzione di come le dita della tua mano si arricciano. Con una corrente maggiore, viene indotto un campo magnetico maggiore.

Puoi usare diversi esempi diregola della mano destra, una regola generale per determinare la direzione di diverse quantità che coinvolgono campo magnetico, forza magnetica e corrente. Questa regola empirica è utile per molti casi in elettricità e magnetismo come dettato dalla matematica delle quantità.

•••Syed Hussain Ather

Questa regola della mano destra può essere applicata anche nell'altra direzione per un magneticosolenoide, o una serie di corrente elettrica avvolta in fili attorno a un magnete. Se punti il ​​pollice della mano destra nella direzione del campo magnetico, le dita della mano destra si avvolgeranno nella direzione della corrente elettrica. I solenoidi consentono di sfruttare la potenza del campo magnetico attraverso le correnti elettriche.

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Quando una carica elettrica viaggia, il campo magnetico si genera quando gli elettroni che ruotano e si muovono diventano essi stessi oggetti magnetici. Gli elementi che hanno elettroni spaiati nei loro stati fondamentali come ferro, cobalto e nichel possono essere allineati in modo da formare magneti permanenti. Il campo magnetico prodotto dagli elettroni di questi elementi lascia che la corrente elettrica fluisca più facilmente attraverso questi elementi. Gli stessi campi magnetici possono anche annullarsi a vicenda se sono uguali in grandezza in direzioni opposte.

Corrente che scorre attraverso una batteriaioemette un campo magneticoBal raggiorsecondo l'equazione perlegge di Ampère​:

doveμ​₀ è la costante magnetica della permeabilità al vuoto,1,26 x 10^-6 H/m("Henries per metro" in cui Henries è l'unità di induttanza). Aumentando la corrente e avvicinandosi al filo, entrambi aumentano il campo magnetico che ne risulta.

Affinché un oggetto sia magnetico, gli elettroni che compongono l'oggetto devono essere in grado di muoversi liberamente intorno e tra gli atomi nell'oggetto. Affinché un materiale sia magnetico, gli atomi con elettroni spaiati dello stesso spin sono candidati ideali poiché questi atomi possono accoppiarsi tra loro per consentire agli elettroni di fluire liberamente. Testare i materiali in presenza di campi magnetici ed esaminare le proprietà magnetiche degli atomi che li compongono può dirti del loro magnetismo.

​Ferromagnetihanno questa proprietà che sono permanentemente magnetici.Paramagneti, al contrario, non mostrerà proprietà magnetiche se non in presenza di un campo magnetico per allineare gli spin degli elettroni in modo che possano muoversi liberamente.Diamagneticihanno composizioni atomiche tali da non essere affatto influenzate dai campi magnetici o essere influenzate solo molto poco dai campi magnetici. Non hanno o pochi elettroni spaiati per far passare le cariche.

I paramagneti funzionano perché sono fatti di materiali che hanno sempremomenti magnetici, detti dipoli. Questi momenti sono la loro capacità di allinearsi con un campo magnetico esterno dovuto allo spin di elettroni spaiati negli orbitali degli atomi che compongono questi materiali. In presenza di un campo magnetico, i materiali si allineano per opporsi alla forza del campo magnetico. Gli elementi paramagnetici includono magnesio, molibdeno, litio e tantalio.

All'interno di un materiale ferromagnetico, il dipolo degli atomi è permanente, solitamente come risultato del riscaldamento e del raffreddamento di materiale paramagnetico. Questo li rende candidati ideali per elettromagneti, motori, generatori e trasformatori per l'uso in dispositivi elettrici. I diamagneti, al contrario, possono produrre una forza che lascia fluire liberamente gli elettroni sotto forma di corrente che, quindi, crea un campo magnetico opposto a qualsiasi campo magnetico ad essi applicato. Questo annulla il campo magnetico e impedisce loro di diventare magnetici.

I campi magnetici determinano come le forze magnetiche possono essere distribuite in presenza di materiale magnetico. Mentre i campi elettrici descrivono la forza elettrica in presenza di un elettrone, i campi magnetici non hanno una particella analoga su cui descrivere la forza magnetica. Gli scienziati hanno teorizzato che possa esistere un monopolio magnetico, ma non ci sono state prove sperimentali per dimostrare l'esistenza di queste particelle. Se esistessero, queste particelle avrebbero una "carica" ​​magnetica più o meno allo stesso modo in cui le particelle cariche hanno cariche elettriche.

La forza magnetica risulta dalla forza elettromagnetica, la forza che descrive le componenti sia elettriche che magnetiche di particelle e oggetti. Questo mostra come il magnetismo intrinseco sia agli stessi fenomeni dell'elettricità come la corrente e il campo elettrico. La carica di un elettrone è ciò che fa sì che il campo magnetico lo deflette attraverso la forza magnetica più o meno allo stesso modo del campo elettrico e della forza elettrica.

Mentre solo le particelle cariche in movimento emettono campi magnetici e tutte le particelle cariche emettono campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici fanno parte della stessa forza fondamentale di elettromagnetismo. La forza elettromagnetica agisce tra tutte le particelle cariche nell'universo. La forza elettromagnetica assume la forma di fenomeni quotidiani nell'elettricità e nel magnetismo come l'elettricità statica e i legami caricati elettricamente che tengono insieme le molecole.

Questa forza, insieme alle reazioni chimiche, costituisce anche la base per la forza elettromotrice che fa fluire la corrente attraverso i circuiti. Quando si osserva un campo magnetico intrecciato con un campo elettrico, il prodotto risultante è noto come campo elettromagnetico.

IlEquazione delle forze di Lorentz​

descrive la forza su una particella caricaqmuovendosi a velocitàvin presenza di un campo elettricoEe campo magneticoB. In questa equazione ilXfraqveBrappresenta il prodotto incrociato. Il primo termineqEè il contributo del campo elettrico alla forza, e il secondo termineqv x SIè il contributo del campo magnetico.

L'equazione di Lorentz ti dice anche che la forza magnetica tra la velocità di caricave il campo magneticoBèqvbsinϕa pagamentoqdoveϕ("phi") è l'angolo traveB, che deve essere minore di 180gradi. Se l'angolo traveBè maggiore, quindi dovresti usare l'angolo nella direzione opposta per risolvere questo problema (dalla definizione di un prodotto incrociato). Seϕè 0, come in, velocità e campo magnetico puntano nella stessa direzione, la forza magnetica sarà 0. La particella continuerà a muoversi senza essere deviata dal campo magnetico.

•••Syed Hussain Ather

Nel diagramma sopra, il prodotto incrociato tra due vettoriunebèc. Notare la direzione e la grandezza dic. È nella direzione perpendicolare aunebquando dato dalla regola della mano destra. La regola della mano destra significa che la direzione del prodotto incrociato risultantecè dato dalla direzione del pollice quando l'indice destro è nella direzione dibe il tuo dito medio destro è nella direzione diun​.

Il prodotto vettoriale è un'operazione vettoriale che risulta nel vettore perpendicolare ad entrambiqveBdata dalla regola della mano destra dei tre vettori e con modulo dell'area del parallelogramma che i vettoriqveBspan. La regola della mano destra significa che è possibile determinare la direzione del prodotto incrociato traqveBposizionando il dito indice destro nella direzione diB, il dito medio in direzione diqve la direzione risultante del pollice sarà la direzione del prodotto incrociato di questi due vettori.

•••Syed Hussain Ather

Nel diagramma sopra, la regola della mano destra mostra anche la relazione tra campo magnetico, forza magnetica e corrente attraverso un filo. Questo mostra anche che il prodotto incrociato tra queste tre quantità può rappresentare la regola della mano destra poiché il prodotto incrociato tra la direzione della forza e il campo è uguale alla direzione della corrente.

Campi magnetici di circa 0,2-0,3 tesla sono utilizzati nella risonanza magnetica, risonanza magnetica. La risonanza magnetica è un metodo utilizzato dai medici per studiare le strutture interne del corpo di un paziente come il cervello, le articolazioni e i muscoli. Questo viene generalmente fatto ponendo il paziente all'interno di un forte campo magnetico in modo tale che il campo scorra lungo l'asse del corpo. Se immagini che il paziente fosse un solenoide magnetico, le correnti elettriche si avvolgerebbero intorno al suo corpo e... il campo magnetico sarebbe diretto in direzione verticale rispetto al corpo, come dettato dalla mano destra regola.

Scienziati e medici studiano quindi i modi in cui i protoni si discostano dal loro normale allineamento per studiare le strutture all'interno del corpo di un paziente. Attraverso questo, i medici possono fare diagnosi sicure e non invasive di varie condizioni.

La persona non sente il campo magnetico durante il processo, ma, poiché c'è così tanta acqua nel corpo umano, i nuclei di idrogeno (che sono protoni) si allineano a causa del magnetico campo. Lo scanner MRI utilizza un campo magnetico da cui i protoni assorbono energia e, quando il campo magnetico viene disattivato, i protoni tornano alle loro posizioni normali. Il dispositivo segue quindi questo cambiamento di posizione per determinare come i protoni sono allineati e creare un'immagine dell'interno del corpo del paziente.