Hoe werken magnetische velden?

•••Syed Hussain Ather

​Magnetische veldenbeschrijven hoe de magnetische kracht wordt verdeeld door de ruimte rond objecten. Over het algemeen reizen de magnetische veldlijnen van een magnetisch object van de noordpool van het object naar de zuidpool, net zoals ze doen voor het magnetische veld van de aarde, zoals weergegeven in het bovenstaande diagram.

Dezelfde magnetische kracht die ervoor zorgt dat objecten aan koelkastoppervlakken blijven kleven, wordt gebruikt in het magnetische veld van de aarde dat de ozonlaag beschermt tegen schadelijke zonnewind. Het magnetische veld vormt energiepakketten die voorkomen dat de ozonlaag koolstofdioxide verliest.

Je kunt dit waarnemen door ijzervijlsel, kleine poederachtige stukjes ijzer, in aanwezigheid van een magneet te gieten. Plaats een magneet onder een stuk papier of een licht laken. Giet het ijzervijlsel en observeer de vormen en formaties die ze aannemen. Bepaal welke veldlijnen er zouden moeten zijn om ervoor te zorgen dat de afzettingen zich zo ordenen en verspreiden volgens de fysica van magnetische velden.

Hoe groter de dichtheid van de magnetische veldlijnen die van noord naar zuid worden getrokken, hoe groter de grootte van het magnetische veld. Deze noord- en zuidpolen bepalen ook of magnetische objecten aantrekkelijk zijn (tussen noord- en zuidpolen) of afstotend (tussen identieke polen). Magnetische velden worden gemeten in eenheden van Tesla,T​.

Omdat magnetische velden ontstaan ​​wanneer ladingen in beweging zijn, worden magnetische velden opgewekt door elektrische stroom door draden. Het veld geeft je een manier om de potentiële sterkte en richting van een magnetische kracht te beschrijven, afhankelijk van de stroom door een elektrische draad en de afstand die de stroom aflegt. Magnetische veldlijnen vormen concentrische cirkels rond draden. De richting van deze velden kan worden bepaald via de "rechterhandregel".

Deze regel vertelt je dat, als je je rechterduim in de richting van elektrische stroom door een draad plaatst, de resulterende magnetische velden in de richting zijn van hoe de vingers van je hand krullen. Met een grotere stroom wordt een groter magnetisch veld geïnduceerd.

U kunt verschillende voorbeelden van derechterhand regel, een algemene regel voor het bepalen van de richting van verschillende grootheden met betrekking tot magnetisch veld, magnetische kracht en stroom. Deze vuistregel is nuttig voor veel gevallen in elektriciteit en magnetisme, zoals gedicteerd door de wiskunde van de hoeveelheden.

•••Syed Hussain Ather

Deze rechterhandregel kan ook in de andere richting worden toegepast voor een magnetischesolenoïde, of een reeks elektrische stroom gewikkeld in draden rond een magneet. Als je je rechterhandduim in de richting van het magnetische veld wijst, dan wikkelen je rechterhandvingers zich om in de richting van de elektrische stroom. Met solenoïden kunt u de kracht van het magnetische veld benutten door middel van elektrische stromen.

•••Syed Hussain Ather

Wanneer een elektrische lading reist, wordt het magnetische veld gegenereerd doordat de elektronen die ronddraaien en bewegen zelf magnetische objecten worden. Elementen die ongepaarde elektronen in hun grondtoestand hebben, zoals ijzer, kobalt en nikkel, kunnen zodanig worden uitgelijnd dat ze permanente magneten vormen. Het magnetische veld dat door de elektronen van deze elementen wordt geproduceerd, laat de elektrische stroom gemakkelijker door deze elementen stromen. Magnetische velden zelf kunnen elkaar ook opheffen als ze in tegengestelde richtingen even groot zijn.

Stroom die door een batterij vloeitikgeeft een magnetisch veld afBop straalrvolgens de vergelijking voorWet van Ampèreère​:

waarμ​₀ is de magnetische constante van vacuümpermeabiliteit,1,26 x 10^-6 H/m("Henries per meter", waarin Henries de eenheid van inductie is). Het verhogen van de stroom en het dichter bij de draad komen, verhogen beide het magnetische veld dat ontstaat.

Om een ​​object magnetisch te maken, moeten de elektronen waaruit het object bestaat, vrij kunnen bewegen rond en tussen atomen in het object. Om een ​​materiaal magnetisch te maken, zijn atomen met ongepaarde elektronen van dezelfde spin ideale kandidaten, omdat deze atomen met elkaar kunnen paren om elektronen vrij te laten stromen. Het testen van materialen in aanwezigheid van magnetische velden en het onderzoeken van de magnetische eigenschappen van de atomen die deze materialen maken, kan je vertellen over hun magnetisme.

​Ferromagnetenhebben deze eigenschap dat ze permanent magnetisch zijn.Paramagneten, daarentegen, zal geen magnetische eigenschappen vertonen tenzij in de aanwezigheid van een magnetisch veld om de spins van de elektronen uit te lijnen zodat ze vrij kunnen bewegen.Diamagnetenhebben atomaire samenstellingen zodat ze helemaal niet worden beïnvloed door magnetische velden of slechts zeer weinig worden beïnvloed door magnetische velden. Ze hebben geen of weinig ongepaarde elektronen om ladingen door te laten stromen.

Paramagneten werken omdat ze gemaakt zijn van materialen die dat altijd hebbenmagnetische momenten, bekend als dipolen. Deze momenten zijn hun vermogen om uit te lijnen met een extern magnetisch veld vanwege de spin van ongepaarde elektronen in de orbitalen van de atomen die deze materialen maken. In aanwezigheid van een magnetisch veld, worden de materialen uitgelijnd om de kracht van het magnetische veld te weerstaan. Paramagnetische elementen omvatten magnesium, molybdeen, lithium en tantaal.

Binnen een ferromagnetisch materiaal is de dipool van de atomen permanent, meestal als gevolg van het opwarmen en afkoelen van paramagnetisch materiaal. Dit maakt ze ideale kandidaten voor elektromagneten, motoren, generatoren en transformatoren voor gebruik in elektrische apparaten. Diamagneten daarentegen kunnen een kracht produceren die elektronen vrij laat stromen in de vorm van stroom die vervolgens een magnetisch veld creëert dat tegengesteld is aan elk magnetisch veld dat erop wordt toegepast. Dit heft het magnetische veld op en voorkomt dat ze magnetisch worden.

Magnetische velden bepalen hoe magnetische krachten kunnen worden verdeeld in aanwezigheid van magnetisch materiaal. Terwijl elektrische velden de elektrische kracht in aanwezigheid van een elektron beschrijven, hebben magnetische velden niet zo'n analoog deeltje waarop magnetische kracht kan worden beschreven. Wetenschappers hebben getheoretiseerd dat er mogelijk een magnetische monopool bestaat, maar er is geen experimenteel bewijs om aan te tonen dat deze deeltjes bestaan. Als ze zouden bestaan, zouden deze deeltjes een magnetische "lading" hebben, net zoals geladen deeltjes elektrische ladingen hebben.

Magnetische kracht is het gevolg van de elektromagnetische kracht, de kracht die zowel elektrische als magnetische componenten van deeltjes en objecten beschrijft. Dit laat zien hoe intrinsiek magnetisme is voor dezelfde verschijnselen van elektriciteit, zoals stroom en elektrisch veld. De lading van een elektron zorgt ervoor dat het magnetische veld het door magnetische kracht afbuigt, op dezelfde manier als elektrisch veld en elektrische kracht.

Terwijl alleen bewegende geladen deeltjes magnetische velden afgeven, en alle geladen deeltjes elektrische velden, magnetische en elektromagnetische velden maken deel uit van dezelfde fundamentele kracht van elektromagnetisme. De elektromagnetische kracht werkt tussen alle geladen deeltjes in het heelal. De elektromagnetische kracht neemt de vorm aan van alledaagse verschijnselen in elektriciteit en magnetisme zoals statische elektriciteit en de elektrisch geladen verbindingen die moleculen bij elkaar houden.

Deze kracht vormt naast chemische reacties ook de basis voor de elektromotorische kracht die stroom door circuits laat stromen. Wanneer een magnetisch veld verweven wordt met een elektrisch veld, staat het resulterende product bekend als een elektromagnetisch veld.

DeLorentzkrachtvergelijking​

beschrijft de kracht op een geladen deeltjeqmet snelheid bewegenvin aanwezigheid van een elektrisch veldEen magnetisch veldB. In deze vergelijking deXtussenqvenBvertegenwoordigt het kruisproduct. de eerste termijnqEis de bijdrage van het elektrische veld aan de kracht, en de tweede termqv x Bis de bijdrage van het magnetische veld.

De Lorentz-vergelijking vertelt je ook dat de magnetische kracht tussen de snelheid van ladingven het magnetische veldBisqvbsinϕtegen betalingqwaarϕ("phi") is de hoek tussenvenB, die kleiner moet zijn dan 180graden. Als de hoek tussenvenBgroter is, dan moet je de hoek in de tegenovergestelde richting gebruiken om dit op te lossen (uit de definitie van een kruisproduct). Alsϕis 0, zoals in, snelheid en magnetisch veld wijzen in dezelfde richting, de magnetische kracht zal 0 zijn. Het deeltje zal blijven bewegen zonder te worden afgebogen door het magnetische veld.

•••Syed Hussain Ather

In het bovenstaande diagram is het uitwendige product tussen twee vectoreneenenbisc. Let op de richting en grootte vanc. Het is in de richting loodrecht opeenenbwanneer gegeven door de rechterhandregel. De rechterhandregel betekent dat de richting van het resulterende uitwendige productcwordt gegeven door de richting van uw duim wanneer uw rechter wijsvinger in de richting van isben je rechter middelvinger is in de richting vaneen​.

Het uitwendige product is een vectorbewerking die resulteert in de vector loodrecht op beideqvenBgegeven door de rechterhandregel van de drie vectoren en met de grootte van de oppervlakte van het parallellogram dat de vectorenqvenBspan. De rechterhandregel houdt in dat je de richting van het kruisproduct kunt bepalen tussenqvenBdoor uw rechterwijsvinger in de richting vanB, uw middelvinger in de richting vanqv, en de resulterende richting van je duim is de kruisproductrichting van deze twee vectoren.

•••Syed Hussain Ather

In het bovenstaande diagram toont de rechterhandregel ook de relatie tussen magnetisch veld, magnetische kracht en stroom door een draad. Dit laat ook zien dat het kruisproduct tussen deze drie grootheden de rechterhandregel kan vertegenwoordigen, aangezien het kruisproduct tussen de richting van de kracht en het veld gelijk is aan de richting van de stroom.

Magnetische velden van ongeveer 0,2 tot 0,3 tesla worden gebruikt in MRI, magnetische resonantie beeldvorming. MRI is een methode die artsen gebruiken om interne structuren in het lichaam van een patiënt te bestuderen, zoals de hersenen, gewrichten en spieren. Dit wordt over het algemeen gedaan door de patiënt in een sterk magnetisch veld te plaatsen, zodat het veld langs de as van het lichaam loopt. Als je je voorstelt dat de patiënt een magnetische solenoïde was, zouden de elektrische stromen zich om zijn of haar lichaam wikkelen en de magnetisch veld zou in verticale richting gericht zijn ten opzichte van het lichaam, zoals gedicteerd door de rechterhand regel.

Wetenschappers en artsen bestuderen vervolgens de manieren waarop protonen afwijken van hun normale uitlijning om de structuren in het lichaam van een patiënt te bestuderen. Hierdoor kunnen artsen veilige, niet-invasieve diagnoses stellen van verschillende aandoeningen.

De persoon voelt het magnetische veld niet tijdens het proces, maar omdat er zoveel water is in het menselijk lichaam richten de waterstofkernen (die protonen zijn) zich op elkaar door de magnetische veld. De MRI-scanner gebruikt een magnetisch veld waarvan de protonen energie absorberen, en wanneer het magnetische veld wordt uitgeschakeld, keren de protonen terug naar hun normale positie. Het apparaat volgt vervolgens deze positieverandering om te bepalen hoe de protonen zijn uitgelijnd en om een ​​beeld te creëren van de binnenkant van het lichaam van de patiënt.