Magnetisk felt: definisjon, årsaker, formel, enheter og måling (m / eksempler)

Åker er rundt oss. Enten det er gravitasjonsfeltet forårsaket av jordens masse eller de elektriske feltene skapt av ladede partikler som elektroner, det er usynlige felt overalt, som representerer potensialer og usynlige krefter som er i stand til å bevege gjenstander med passende kjennetegn.

For eksempel betyr et elektrisk felt i et område at en ladet gjenstand kan avbøyes fra den opprinnelige banen når den kommer inn i regionen, og gravitasjonsfeltet på grunn av jordens masse holder deg fast på jordens overflate med mindre du gjør noe for å overvinne dens innflytelse.

Magnetfelt er årsaken til magnetiske krefter, og gjenstander som utøver magnetiske krefter på andre objekter gjør det ved å skape et magnetfelt. Magnetfelt kan oppdages ved avbøyning av kompassnåler som strekker seg opp mot feltlinjer (det magnetiske nord for nålen peker mot magnetisk sør). Hvis du studerer elektrisitet og magnetisme, er det viktig å lære mer om magnetfelt og magnetkraft.

Generelt i fysikk er felt vektorer med verdier i alle regioner i rommet som forteller deg hvor sterk eller svak en effekt er på det tidspunktet, og retningens retning. For eksempel skaper et objekt med masse, i likhet med solen, et gravitasjonsfelt, og andre objekter med masse som kommer inn i det feltet blir påvirket av en kraft som et resultat. Slik holder gravitasjonstrekket fra solen jorden i bane rundt seg.

Lengre ut i solsystemet, slik som i området til Uranus 'bane, gjelder den samme kraften, men styrken er mye lavere. Den er alltid rettet rett mot solen; hvis du forestiller deg en samling piler som omgir solen, som alle peker mot den, men med lengre lengder på nært hold (sterkere kraft) og mindre lengder på lange avstander (svakere kraft), du har i utgangspunktet forestilt deg tyngdefeltet i solen system.

På samme måte som dette skaper gjenstander med ladning elektriske felt, og bevegelige ladninger genereresmagnetiske felt, som kan gi opphav til en magnetisk kraft i en nærliggende ladet gjenstand eller andre magnetiske materialer.

Disse feltene er litt mer kompliserte når det gjelder form enn gravitasjonsfelt, siden de har magnetisk looping feltlinjer som kommer fra den positive (eller nordpolen) og slutter ved den negative (eller sørpolen), men de fyller den samme grunnleggende rolle. De er som kraftlinjer som forteller deg hvordan en gjenstand plassert på et sted vil oppføre seg. Du kan tydelig visualisere dette ved hjelp av jernfiler, som vil justeres med det eksterne magnetfeltet.

Magnetiske felt eralltid​ ​dipolfelt, så det er ingen magnetiske monopol. Generelt er magnetfelt representert med bokstavenB, men hvis et magnetfelt passerer gjennom et magnetisk materiale, kan dette bli polarisert og generere sitt eget magnetfelt. Dette andre feltet bidrar til det første feltet, og kombinasjonen av de to er referert til i brevetH, hvor

med μ₀ = 4π × 10⁻⁷ H / m (dvs. den magnetiske permeabiliteten til ledig plass) og K_m være den relative permeabiliteten til det aktuelle materialet.

Mengden magnetfelt som passerer gjennom et gitt område kalles magnetisk fluks. Magnetisk flytdensitet er relatert til lokal feltstyrke. Siden magnetfelt alltid er dipolare, er nettomagnetisk strømning gjennom en lukket overflate 0. (Eventuelle feltlinjer som går ut av overflaten, må nødvendigvis angi den igjen, og avbrytes.)

SI-enheten med magnetisk feltstyrke er tesla (T), der:

1 tesla = 1 T = 1 kg / A s² = 1 V s / m² = 1 Ikke relevant m

En annen mye brukt enhet for magnetfeltstyrke er gauss (G), der:

1 gauss = 1 G = 10⁻⁴ T

Tesla er ganske stor enhet, så i mange praktiske situasjoner er gauss et mer nyttig valg - for eksempel en kjøleskapsmagnet vil ha en styrke på omtrent 100 G, mens jordens magnetfelt på jordens overflate er omtrent 0,5 G.

Elektrisitet og magnetisme er fundamentalt flettet sammen fordi magnetfelt genereres av bevegelige ladninger (som elektriske strømmer) eller skiftende elektriske felt, mens et skiftende magnetfelt genererer et elektrisk felt.

I en stavmagnet eller et lignende magnetisk objekt, oppstår magnetfeltet fra flere magnetiske "domener" blir justert, som igjen er skapt av bevegelsen av de ladede elektronene rundt kjernene til deres atomer. Disse bevegelsene produserer små magnetfelt i et domene. I de fleste materialer vil domener ha tilfeldig justering og avbryte hverandre, men i noen materialer, blir magnetfeltene i nærliggende domener justert, og dette gir større skala magnetisme.

Jordens magnetfelt genereres også av ladning i bevegelse, men i dette tilfellet er det bevegelsen til det smeltede laget som omgir jordens kjerne som skaper magnetfeltet. Dette forklares meddynamo teori, som beskriver hvordan en roterende, elektrisk ladet væske genererer et magnetfelt. Jordens ytre kjerne inneholder flytende jern som beveger seg kontinuerlig, med elektroner som beveger seg gjennom væsken og genererer magnetfeltet.

Solen har også et magnetfelt, og forklaringen på hvordan dette fungerer er veldig lik. Imidlertid fører de varierende rotasjonshastighetene til forskjellige deler av solen (dvs. det fluidlignende materialet ved forskjellige breddegrader) til feltlinjene floker seg over tid, så vel som mange fenomener knyttet til solen, som solfakkel og solflekker, og den omtrent 11 år lange solenergien syklus. Solen har to poler, akkurat som en stangmagnet, men bevegelsene til solens plasma og den gradvis økende solaktiviteten får magnetpolene til å snu hvert 11. år.

Magnetfeltene på grunn av forskjellige ordninger for ladning i bevegelse må avledes individuelt, men det er mange standardformler du kan bruke, slik at du ikke har "gjenoppfinne hjulet" hver tid. Du kan utlede formler for i utgangspunktet enhver ordning med flytting av ladning ved hjelp av Biot-Savart-loven eller Ampere-Maxwell-loven. Imidlertid er de resulterende formlene for enkle ordninger av elektrisk strøm så ofte brukt og sitert at du kan bare behandle dem som "standardformler" i stedet for å trekke dem fra Biot-Savart eller Ampere-Maxwell-loven hver gang.

Magnetfeltet til en rettstrøm bestemmes fra Amperes lov (en enklere form av Ampere-Maxwell-loven) som:

Hvorμ​₀ er som definert tidligere,Jeger strømmen i ampere ogrer avstanden fra ledningen du måler magnetfeltet.

Magnetfeltet i midten av en strømsløyfe er gitt av:

HvorRer sløyfens radius, og de andre symbolene er som definert tidligere.

Til slutt er magnetfeltet til en solenoid gitt av:

HvorNer antall svinger ogLer lengden på solenoiden. Magnetfeltet til en solenoid er i stor grad konsentrert i midten av spolen.

Å lære å bruke disse ligningene (og slike som dem) er det viktigste du må gjøre når du beregner et magnetfelt eller den resulterende magnetiske kraften, så et eksempel på hver vil hjelpe deg med å takle den slags problemer du sannsynligvis vil støte på.

For en lang rett ledning som bærer en strøm på 5 ampere (dvs. I = 5 A), hva er magnetfeltstyrken 0,5 m fra ledningen?

Ved å bruke den første ligningen med I = 5 A og r = 0,5 m gir:

Nå, for en strømsløyfe som bærer I = 10 A og med en radius på r = 0,2 m, hva er magnetfeltet i sentrum av sløyfen? Den andre ligningen gir:

Til slutt, for en solenoid med N = 15 omdreininger i en lengde på L = 0,1 m, som bærer en strøm på 4 A, hva er magnetfeltstyrken i sentrum?

Den tredje ligningen gir:

Andre eksempler på magnetfeltberegninger kan fungere litt annerledes - for eksempel å fortelle deg feltet i midten av en solenoid og strømmen, men ber om N / L-forholdet - men så lenge du er kjent med ligningene, vil du ikke ha problemer svare på dem.