Kaip veikia magnetiniai laukai?

•••Syedas Hussainas Atheris

​Magnetiniai laukaiapibūdinkite, kaip magnetinė jėga pasiskirsto erdvėje aplink daiktus. Paprastai magnetinio objekto atveju magnetinio lauko linijos eina nuo objekto šiaurės ašigalio iki pietų ašigalio, kaip ir Žemės magnetinio lauko atveju, kaip parodyta aukščiau pateiktoje diagramoje.

Žemės magnetiniame lauke naudojama ta pati magnetinė jėga, dėl kurios daiktai prilimpa prie šaldytuvo paviršių, apsauganti ozono sluoksnį nuo kenksmingo saulės vėjo. Magnetinis laukas suformuoja energijos paketus, kurie neleidžia ozono sluoksniui prarasti anglies dioksido.

Tai galite pastebėti supylę geležies dildes, mažus į miltelius panašius geležies gabalėlius, esant magnetui. Padėkite magnetą po popieriaus lapeliu ar lengvu audinio lakštu. Supilkite geležines drožles ir stebėkite jų formas ir darinius. Nustatykite, kokios laukų linijos turėtų būti, kad dildės taip išsidėstytų ir pasiskirstytų pagal magnetinių laukų fiziką.

Kuo didesnis iš šiaurės į pietus nubrėžtų magnetinio lauko linijų tankis, tuo didesnis magnetinio lauko dydis. Šie šiaurės ir pietų poliai taip pat diktuoja, ar magnetiniai objektai yra patrauklūs (tarp šiaurės ir pietų ašigalių), ar atstumiantys (tarp identiškų ašigalių). Magnetiniai laukai matuojami „Tesla“ vienetais,

Kadangi magnetiniai laukai formuojasi visada, kai juda krūviai, magnetiniai laukai iš elektros srovės yra sukelti laidais. Šis laukas suteikia galimybę apibūdinti galimą magnetinės jėgos stiprumą ir kryptį, atsižvelgiant į elektros laido srovę ir atstumą, kurį eina srovė. Magnetinio lauko linijos aplink laidus formuoja koncentrinius apskritimus. Šių laukų kryptį galima nustatyti naudojant „dešinės rankos taisyklę“.

Ši taisyklė nurodo, kad jei per laidą dešinįjį nykštį pasistatysite elektros srovės kryptimi, susidarę magnetiniai laukai bus nukreipti į tai, kaip jūsų rankos pirštai susisuka. Esant didesnei srovei, sukeliamas didesnis magnetinis laukas.

Galite naudoti skirtingusdešinės rankos taisyklė, bendroji taisyklė nustatyti skirtingų dydžių, susijusių su magnetiniu lauku, magnetine jėga ir srove, kryptį. Ši nykščio taisyklė yra naudinga daugeliu atvejų elektros ir magnetizmo atvejais, kuriuos diktuoja dydžių matematika.

•••Syedas Hussainas Atheris

Ši dešinės rankos taisyklė taip pat gali būti taikoma magnetuisolenoidas, arba elektros srovė, apvyniota laidais aplink magnetą. Dešinės rankos nykščiu nukreipę magnetinio lauko kryptį, tada dešinės rankos pirštai apsisuks elektros srovės kryptimi. Solenoidai leidžia jums panaudoti magnetinio lauko galią per elektros sroves.

•••Syedas Hussainas Atheris

Elektros krūviui keliantis, magnetinis laukas generuojasi, kai sukantys ir judantys elektronai patys tampa magnetiniais objektais. Elementai, kurių pagrindinėse būsenose yra nesuporuotų elektronų, tokių kaip geležis, kobaltas ir nikelis, gali būti išlyginti taip, kad jie sudarytų nuolatinius magnetus. Šių elementų elektronų sukurtas magnetinis laukas leidžia elektros srovei lengviau tekėti per šiuos elementus. Patys magnetiniai laukai taip pat gali panaikinti vienas kitą, jei jie yra vienodo dydžio priešingomis kryptimis.

Srovė, tekanti per akumuliatoriųAšskleidžia magnetinį laukąBspinduliurpagal lygtįAmpero įstatymas​:

kurμ​₀ yra vakuuminio pralaidumo magnetinė konstanta,1,26 x 10^-6 H / m(„Henrisas metrui“, kuriame Henrisas yra induktyvumo vienetas). Didinant srovę ir artėjant prie laido, padidėja gaunamas magnetinis laukas.

Kad daiktas būtų magnetinis, objektą sudarantys elektronai turi sugebėti laisvai judėti aplink objekte esančius atomus ir tarp jų. Kad medžiaga būtų magnetinė, idealūs kandidatai yra atomai su nesuporuotais to paties sukimo elektronais, nes šie atomai gali poruotis vienas su kitu, kad elektronai galėtų laisvai tekėti. Medžiagų testavimas esant magnetiniams laukams ir magnetinių atomų, dėl kurių susidaro šios medžiagos, savybės gali pasakyti apie jų magnetizmą.

​Feromagnetikaituri šią savybę, kad jie yra nuolat magnetiniai.Paramagnetai, priešingai, nerodys magnetinių savybių, nebent esant magnetiniam laukui, kuris nukreiptų elektronų sukinius aukštyn, kad jie galėtų laisvai judėti.Deimantiniaituri tokių atominių kompozicijų, kad jų visiškai neveikia magnetiniai laukai arba magnetiniai laukai veikia tik labai mažai. Jie neturi arba nedaug neporuotų elektronų, leidžiančių tekėti krūviams.

Paramagnetai veikia, nes jie yra pagaminti iš medžiagų, kurių visada yramagnetiniai momentai, žinomi kaip dipoliai. Šios akimirkos yra jų sugebėjimas susilyginti su išoriniu magnetiniu lauku dėl nesuporuotų elektronų sukimosi šias medžiagas gaminančių atomų orbitalėse. Esant magnetiniam laukui, medžiagos susilygina priešindamos magnetinio lauko jėgą. Paramagnetiniai elementai yra magnis, molibdenas, ličio ir tantalo.

Feromagnetinėje medžiagoje atomų dipolis yra nuolatinis, dažniausiai dėl paramagnetinės medžiagos kaitinimo ir aušinimo. Tai paverčia juos idealiais elektromagnetų, variklių, generatorių ir transformatorių, naudojamų elektriniuose prietaisuose, kandidatais. Diamagnetai, atvirkščiai, gali sukelti jėgą, leidžiančią elektronams laisvai tekėti srovės forma, kuri sukuria magnetinį lauką priešingai bet kuriam jiems pritaikytam magnetiniam laukui. Tai panaikina magnetinį lauką ir neleidžia jiems tapti magnetiniais.

Magnetiniai laukai nustato, kaip magnetinės jėgos gali būti paskirstytos esant magnetinei medžiagai. Nors elektriniai laukai apibūdina elektrinę jėgą esant elektronui, magnetiniai laukai neturi tokios analogiškos dalelės, kur būtų galima apibūdinti magnetinę jėgą. Mokslininkai teigė, kad magnetinis monopolis gali egzistuoti, tačiau nebuvo eksperimentinių įrodymų, kad šios dalelės egzistuoja. Jei jos egzistuotų, šios dalelės turėtų magnetinį „krūvį“ panašiai kaip įkrautos dalelės turi elektrinius krūvius.

Magnetinė jėga atsiranda dėl elektromagnetinės jėgos, jėgos, apibūdinančios elektrinius ir magnetinius dalelių bei daiktų komponentus. Tai parodo, kaip būdingas tų pačių elektros reiškinių, tokių kaip srovė ir elektrinis laukas, magnetizmas. Elektrono krūvis lemia tai, kad magnetinis laukas jį nukreipia per magnetinę jėgą panašiai, kaip tai daro elektrinis laukas ir elektrinė jėga.

Magnetinius laukus skleidžia tik judančios įkrautos dalelės, o visos įkraunamos dalelės elektriniai laukai, magnetiniai ir elektromagnetiniai laukai yra tos pačios pagrindinės jėgos dalis elektromagnetizmas. Elektromagnetinė jėga veikia tarp visų įkrautų visatos dalelių. Elektromagnetinė jėga pasireiškia kasdieniais elektros ir magnetizmo reiškiniais, tokiais kaip statinė elektra ir elektra įkrautos jungtys, kurios palaiko molekules.

Ši jėga kartu su cheminėmis reakcijomis taip pat sudaro pagrindą elektromotorinei jėgai, leidžiančiai srovei tekėti grandinėmis. Žiūrint magnetinį lauką susipynusį su elektriniu lauku, gautas produktas yra žinomas kaip elektromagnetinis laukas.

Lorenco jėgos lygtis​

apibūdina jėgą ant įelektrintos dalelėsqjuda greičiuvesant elektriniam laukuiEir magnetinis laukasB. Šioje lygtyjextarpqvirBreiškia kryžminį produktą. Pirmasis terminasqEyra elektrinio lauko indėlis į jėgą ir antrasis terminasqv x Byra magnetinio lauko indėlis.

Lorentzo lygtis taip pat nurodo, kad magnetinė jėga tarp įkrovos greičiovir magnetinis laukasByraqvbsinϕuž mokestįqkurϕ("phi") yra kampas tarpvirB, kuris turi būti mažesnis nei 180laipsnių. Jei kampas tarpvirByra didesnis, tada turėtumėte naudoti kampą priešinga kryptimi, kad tai išspręstumėte (pagal kryžminio produkto apibrėžimą). Jeiϕyra 0, kaip ir greitis bei magnetinis laukas nukreipti ta pačia kryptimi, magnetinė jėga bus 0. Dalelė toliau judės, jos neatstums magnetinis laukas.

•••Syedas Hussainas Atheris

Aukščiau pateiktoje diagramoje kryžminis produktas tarp dviejų vektoriųairbyrac. Atkreipkite dėmesį į kryptį ir dydįc. Tai yra statmena krypčiaiairbkai tai duoda dešinės rankos taisyklė. Dešinės rankos taisyklė reiškia, kad gauto kryžminio produkto kryptiscskiriama nykščio kryptimi, kai dešinysis rodomasis pirštas yrabo tavo dešinysis vidurinis pirštas yraa​.

Kryžminis produktas yra vektorinė operacija, kurios rezultatas yra vektorius, statmenas abiemqvirBkurią suteikia trijų vektorių dešinioji ranka, ir su lygiagretainio, kurį vektoriai, ploto dydžiuqvirBruožas. Dešinės rankos taisyklė reiškia, kad galite nustatyti kryžminio produkto kryptį tarpqvirBuždėdami dešinįjį rodomąjį pirštąB, jūsų vidurinis pirštasqvir gaunama nykščio kryptis bus šių dviejų vektorių kryžminio produkto kryptis.

•••Syedas Hussainas Atheris

Aukščiau pateiktoje diagramoje dešinės rankos taisyklė taip pat parodo ryšį tarp magnetinio lauko, magnetinės jėgos ir srovės per laidą. Tai taip pat rodo, kad šių trijų dydžių kryžminis produktas gali reikšti dešinės rankos taisyklę, nes kryžminis produktas tarp jėgos krypties ir lauko yra lygus srovės krypčiai.

MRT, magnetinio rezonanso tomografijoje naudojami maždaug 0,2–0,3 teslos magnetiniai laukai. MRT yra metodas, kurį gydytojai naudoja tirdami paciento kūno vidines struktūras, pvz., Smegenis, sąnarius ir raumenis. Tai paprastai daroma pacientą nukreipiant į stiprų magnetinį lauką, kad laukas eitų išilgai kūno ašies. Jei įsivaizduotumėte, kad pacientas buvo magnetinis solenoidas, elektros srovės apgaubtų jo ar jos kūną magnetinis laukas būtų nukreiptas vertikalia kūno kryptimi, kaip diktuoja dešinioji ranka taisyklė.

Tuomet mokslininkai ir gydytojai tiria paciento kūno struktūrų protonų nukrypimo nuo įprasto derinimo būdus. Per tai gydytojai gali nustatyti saugias, neinvazines įvairių ligų diagnozes.

Proceso metu asmuo nejaučia magnetinio lauko, bet todėl, kad yra tiek daug vandens žmogaus kūne vandenilio branduoliai (kurie yra protonai) išsilygina dėl magnetinio srityje. MRT skaitytuvas naudoja magnetinį lauką, iš kurio protonai sugeria energiją, o išjungus magnetinį lauką, protonai grįžta į įprastą padėtį. Tada prietaisas stebi šį padėties pasikeitimą, kad nustatytų, kaip sutampa protonai, ir sukuria paciento kūno vidaus vaizdą.