Magnetisch veld: definitie, oorzaken, formule, eenheden en metingen (met voorbeelden)

Overal om ons heen zijn velden. Of het nu het zwaartekrachtveld is dat wordt veroorzaakt door de massa van de aarde of de elektrische velden die worden gecreëerd door geladen deeltjes zoals elektronen, er zijn overal onzichtbare velden, die potentiëlen en onzichtbare krachten vertegenwoordigen die in staat zijn om objecten te verplaatsen met de juiste kenmerken.

Een elektrisch veld in een gebied betekent bijvoorbeeld dat een geladen object van zijn oorspronkelijke pad kan worden afgebogen wanneer het het gebied binnenkomt, en het zwaartekrachtveld als gevolg van de massa van de aarde houdt je stevig op het aardoppervlak, tenzij je wat werk doet om zijn invloed.

Magnetische velden zijn de oorzaak van magnetische krachten, en objecten die magnetische krachten uitoefenen op andere objecten doen dit door een magnetisch veld te creëren. Magnetische velden kunnen worden gedetecteerd door afbuiging van kompasnaalden die in lijn liggen met veldlijnen (het magnetische noorden van de naald wijst naar het magnetische zuiden). Als je elektriciteit en magnetisme bestudeert, is het een cruciale stap op je reis om meer te leren over magnetische velden en de magnetische kracht.

In de natuurkunde in het algemeen zijn velden vectoren met waarden in elk gebied van de ruimte die je vertellen hoe sterk of zwak een effect op dat punt is, en de richting van het effect. Een object met massa, zoals de zon, creëert bijvoorbeeld een zwaartekrachtveld en andere objecten met massa die dat veld binnenkomen, worden daardoor beïnvloed door een kracht. Dit is hoe de aantrekkingskracht van de zon de aarde in een baan eromheen houdt.

Verder weg in het zonnestelsel, zoals in het bereik van de baan van Uranus, is dezelfde kracht van toepassing, maar de kracht is veel lager. Het is altijd recht op de zon gericht; als je je een verzameling pijlen voorstelt die de zon omringen, allemaal naar de zon wijzend, maar met langere lengtes op korte afstanden (sterkere kracht) en kleinere lengtes op grote afstanden (zwakkere kracht), je hebt je in feite het zwaartekrachtveld in de zon voorgesteld systeem.

Op dezelfde manier creëren objecten met lading elektrische velden en genereren bewegende ladingenmagnetische velden, die aanleiding kunnen geven tot een magnetische kracht in een nabijgelegen geladen object of andere magnetische materialen.

Deze velden zijn qua vorm iets gecompliceerder dan zwaartekrachtvelden, omdat ze magnetische lussen hebben veldlijnen die uit de positieve (of noordpool) komen en eindigen op de negatieve (of zuidpool), maar ze vullen dezelfde basis rol. Ze zijn als krachtlijnen, die je vertellen hoe een object dat op een locatie is geplaatst, zich zal gedragen. Je kunt dit duidelijk visualiseren met behulp van ijzervijlsel, dat zal worden uitgelijnd met het externe magnetische veld.

Magnetische velden zijn:altijd​ ​dipoolvelden, dus er zijn geen magnetische monopolen. Over het algemeen worden magnetische velden weergegeven met de letterB, maar als een magnetisch veld door een magnetisch materiaal gaat, kan dit gepolariseerd worden en zijn eigen magnetisch veld genereren. Dit tweede veld draagt ​​bij aan het eerste veld, en de combinatie van de twee wordt aangeduid met de letterH, waar

met₀ = 4π × 10⁻⁷ H/m (d.w.z. de magnetische permeabiliteit van vrije ruimte) en K_m zijnde de relatieve permeabiliteit van het materiaal in kwestie.

De hoeveelheid magnetisch veld die door een bepaald gebied gaat, wordt de magnetische flux genoemd. De magnetische fluxdichtheid is gerelateerd aan de lokale veldsterkte. Aangezien magnetische velden altijd dipolair zijn, is de netto magnetische flux door een gesloten oppervlak 0. (Elke veldlijn die het oppervlak verlaat, moet deze noodzakelijkerwijs opnieuw invoeren en opheffen.)

De SI-eenheid van magnetische veldsterkte is de tesla (T), waarbij:

1 tesla = 1 T = 1 kg/A s² = 1 Vs/m² = 1 n.v.t. m

Een andere veelgebruikte eenheid voor magnetische veldsterkte is de gauss (G), waarbij:

1 gauss = 1 G = 10⁻⁴ T

De tesla is een vrij grote eenheid, dus in veel praktische situaties is de gauss een nuttigere keuze – bijvoorbeeld een koelkastmagneet zal een sterkte hebben van ongeveer 100 G, terwijl het aardmagnetisch veld op het aardoppervlak ongeveer 0,5 gram.

Elektriciteit en magnetisme zijn fundamenteel met elkaar verweven omdat magnetische velden worden gegenereerd door bewegende lading (zoals elektrische stromen) of veranderende elektrische velden, terwijl een veranderend magnetisch veld een elektrisch veld.

In een staafmagneet of een soortgelijk magnetisch object is het magnetische veld het resultaat van verschillende magnetische "domeinen" uitgelijnd, die op hun beurt worden gecreëerd door de beweging van de geladen elektronen rond de kernen van hun atomen. Deze bewegingen produceren kleine magnetische velden binnen een domein. In de meeste materialen zullen domeinen willekeurig uitgelijnd zijn en elkaar opheffen, maar in sommige materialen, worden de magnetische velden in aangrenzende domeinen uitgelijnd, en dit produceert grotere schaal magnetisme.

Het magnetisch veld van de aarde wordt ook gegenereerd door bewegende lading, maar in dit geval is het de beweging van de gesmolten laag rond de kern van de aarde die het magnetische veld creëert. Dit wordt verklaard doordynamo theorie, waarin wordt beschreven hoe een roterende, elektrisch geladen vloeistof een magnetisch veld opwekt. De buitenste kern van de aarde bevat constant bewegend vloeibaar ijzer, met elektronen die door de vloeistof reizen en het magnetische veld genereren.

De zon heeft ook een magnetisch veld en de verklaring voor hoe dit werkt lijkt erg op elkaar. De variërende rotatiesnelheden van verschillende delen van de zon (d.w.z. het vloeistofachtige materiaal op verschillende breedtegraden) leiden echter tot de veldlijnen in de loop van de tijd verstrikt raken, evenals vele verschijnselen die verband houden met de zon, zoals zonnevlammen en zonnevlekken, en de ongeveer 11-jarige zonne-energie fiets. De zon heeft twee polen, net als een staafmagneet, maar de bewegingen van het plasma van de zon en de geleidelijk toenemende zonneactiviteit zorgen ervoor dat de magnetische polen elke 11 jaar omslaan.

De magnetische velden als gevolg van verschillende rangschikkingen van bewegende lading moeten afzonderlijk worden afgeleid, maar er zijn veel standaardformules die u kunt gebruiken, zodat u niet elke keer het wiel opnieuw hoeft uit te vinden tijd. U kunt formules afleiden voor vrijwel elke regeling van bewegende lading met behulp van de wet van Biot-Savart of de wet van Ampere-Maxwell. De resulterende formules voor eenvoudige arrangementen van elektrische stroom worden echter zo vaak gebruikt en geciteerd dat u kunt: behandel ze gewoon als "standaardformules" in plaats van ze elke keer af te leiden uit de wet van Biot-Savart of Ampere-Maxwell.

Het magnetische veld van een lineaire stroom wordt bepaald uit de wet van Ampere (een eenvoudigere vorm van de wet van Ampere-Maxwell) als:

Waarμ​₀ is zoals eerder gedefinieerd,ikis de stroom in ampère enris de afstand van de draad waarmee u het magnetische veld meet.

Het magnetische veld in het midden van een stroomlus wordt gegeven door:

WaarRis de straal van de lus, en de andere symbolen zijn zoals eerder gedefinieerd.

Ten slotte wordt het magnetische veld van een solenoïde gegeven door:

Waarneeis het aantal beurten enLis de lengte van de solenoïde. Het magnetische veld van een solenoïde is grotendeels geconcentreerd in het midden van de spoel.

Het leren gebruiken van deze vergelijkingen (en dergelijke) is het belangrijkste dat u moet doen bij het berekenen van een magnetisch veld of de resulterende magnetische kracht, dus een voorbeeld van elk zal u helpen het soort problemen aan te pakken dat u waarschijnlijk zult tegenkomen stuiten op.

Voor een lange rechte draad met een stroom van 5 ampère (d.w.z. I = 5 A), wat is de magnetische veldsterkte op 0,5 m afstand van de draad?

Het gebruik van de eerste vergelijking met I = 5 A en r = 0,5 m geeft:

Voor een stroomlus met I = 10 A en met een straal van r = 0,2 m, wat is het magnetische veld in het midden van de lus? De tweede vergelijking geeft:

Tot slot, voor een solenoïde met N = 15 windingen in een lengte van L = 0,1 m, met een stroom van 4 A, wat is de magnetische veldsterkte in het midden?

De derde vergelijking geeft:

Andere voorbeelden van magnetische veldberekeningen werken misschien iets anders, bijvoorbeeld door u het veld in het midden van a. te vertellen solenoïde en de stroom, maar vragen om de N / L-verhouding - maar zolang je bekend bent met de vergelijkingen, zul je geen problemen hebben ze beantwoorden.