Hvordan fungerer magnetfelt?

•••Syed Hussain Ather

​Magnetiske feltbeskrive hvordan magnetkraften fordeles gjennom rommet rundt objekter. Generelt, for et objekt som er magnetisk, beveger magnetfeltlinjene seg fra objektets nordpol til sørpolen, akkurat som de gjør for jordens magnetfelt, som vist i diagrammet ovenfor.

Den samme magnetiske kraften som får gjenstander til å holde seg til kjøleskapets overflater, brukes i jordens magnetfelt som beskytter ozonlaget mot skadelig solvind. Magnetfeltet danner pakker med energi som forhindrer ozonlaget i å miste karbondioksid.

Du kan observere dette ved å helle jernfiler, små pulverlignende jernbiter, i nærvær av en magnet. Plasser en magnet under et stykke papir eller et lett tøyark. Hell jernfilpene og observer formene og formasjonene de tar. Bestem hvilke feltlinjer det måtte være for å få arkivene til å ordne og distribuere seg slik i henhold til magnetfeltets fysikk.

Jo større tetthet magnetfeltlinjene er trukket fra nord til sør, jo større er magnetfeltets størrelse. Disse nord- og sørpolene dikterer også om magnetiske gjenstander er attraktive (mellom nord- og sørpoler) eller frastøtende (mellom identiske poler). Magnetiske felt måles i enheter av Tesla,

Fordi magnetfelt dannes når ladninger er i bevegelse, induseres magnetfelt fra elektrisk strøm gjennom ledninger. Feltet gir deg en måte å beskrive den potensielle styrken og retningen til en magnetisk kraft avhengig av strømmen gjennom en elektrisk ledning og avstanden som strømmen beveger seg. Magnetfeltlinjer danner konsentriske sirkler rundt ledninger. Retningen til disse feltene kan bestemmes via "høyre håndregelen".

Denne regelen forteller deg at hvis du legger høyre tommel i retning av elektrisk strøm gjennom en ledning, er de resulterende magnetfeltene i retning av hvordan håndens fingre krøller seg. Med større strøm induseres større magnetfelt.

Du kan bruke forskjellige eksempler påhøyre regel, en generell regel for å bestemme retningen for forskjellige størrelser som involverer magnetfelt, magnetisk kraft og strøm. Denne tommelfingerregelen er nyttig i mange tilfeller innen elektrisitet og magnetisme som diktert av mengdenes mengde.

•••Syed Hussain Ather

Denne høyrehåndsregelen kan også brukes i en annen retning for en magnetsolenoid, eller en serie med elektrisk strøm innpakket i ledninger rundt en magnet. Hvis du peker høyre tommel i retning av magnetfeltet, vil dine høyre fingre vikle seg rundt i retning av elektrisk strøm. Solenoider lar deg utnytte magnetfeltets kraft gjennom elektriske strømmer.

•••Syed Hussain Ather

Når en elektrisk ladning beveger seg, genereres magnetfeltet når elektronene som spinner og beveger seg blir magnetiske gjenstander selv. Elementer som har ukoblede elektroner i bakken, slik som jern, kobolt og nikkel, kan justeres slik at de danner permanente magneter. Magnetfeltet produsert av elektronene til disse elementene lar lettere strømme strømme gjennom disse elementene. Magnetfelt i seg selv kan også avbryte hverandre hvis de er like store i motsatte retninger.

Strøm som strømmer gjennom et batteriJegavgir et magnetfeltBi radiusri henhold til ligningen forAmpères lov​:

hvorμ​₀ er den magnetiske konstanten av vakuumpermeabilitet,1,26 x 10^-6 H / m("Henries per meter" der Henries er induktansenheten). Å øke strømmen og komme nærmere ledningen øker begge magnetfeltet som oppstår.

For at et objekt skal være magnetisk, må elektronene som utgjør objektet være i stand til å bevege seg fritt rundt og mellom atomer i objektet. For at et materiale skal være magnetisk, er atomer med uparede elektroner av samme spinn ideelle kandidater, da disse atomene kan kobles sammen med hverandre for å la elektronene flyte fritt. Å teste materialer i nærvær av magnetfelt og undersøke de magnetiske egenskapene til atomene som lager disse materialene, kan fortelle deg om deres magnetisme.

​Ferromagneterhar denne egenskapen at de er permanent magnetiske.Paramagneterderimot, vil ikke vise magnetiske egenskaper med mindre det er i nærvær av et magnetfelt for å rette spinnene til elektronene opp slik at de kan bevege seg fritt.Diamagneterhar atomsammensetninger slik at de ikke påvirkes av magnetiske felt i det hele tatt eller bare påvirkes veldig lite av magnetiske felt. De har ingen eller få uparrede elektroner som lar ladninger strømme gjennom.

Paramagneter fungerer fordi de er laget av materialer som alltid har gjortmagnetiske øyeblikk, kjent som dipoler. Disse øyeblikkene er deres evne til å justere seg med et eksternt magnetfelt på grunn av spinn av uparrede elektroner i atomene til atomene som lager disse materialene. I nærvær av et magnetfelt, justeres materialene for å motsette seg magnetfeltets styrke. Paramagnetiske elementer inkluderer magnesium, molybden, litium og tantal.

Innenfor et ferromagnetisk materiale er dipolen til atomene permanent, vanligvis som et resultat av oppvarming og kjøling av paramagnetisk materiale. Dette gjør dem til ideelle kandidater for elektromagneter, motorer, generatorer og transformatorer for bruk i elektriske apparater. Diamagneter kan derimot produsere en kraft som lar elektroner strømme fritt i form av strøm som deretter skaper et magnetfelt motsatt ethvert magnetfelt som påføres dem. Dette avbryter magnetfeltet og forhindrer dem i å bli magnetiske.

Magnetfelt bestemmer hvordan magnetiske krefter kan fordeles i nærvær av magnetisk materiale. Mens elektriske felt beskriver den elektriske kraften i nærvær av et elektron, har magnetfelt ingen lignende analoge partikler som de kan beskrive magnetisk kraft på. Forskere har teoretisert at en magnetisk monopol kan eksistere, men det har ikke vært eksperimentelle bevis som viser at disse partiklene eksisterer. Hvis de skulle eksistere, ville disse partiklene ha en magnetisk "ladning" på samme måte som ladede partikler har elektriske ladninger.

Magnetisk kraft resulterer på grunn av den elektromagnetiske kraften, kraften som beskriver både elektriske og magnetiske komponenter av partikler og gjenstander. Dette viser hvordan indre magnetisme er til de samme fenomenene elektrisitet som strøm og elektrisk felt. Ladningen til et elektron er det som får magnetfeltet til å avbøye det gjennom magnetisk kraft på samme måte som elektrisk felt og elektrisk kraft gjør.

Mens bare bevegelige ladede partikler avgir magnetiske felt, og alle ladede partikler avgir elektriske felt, magnetiske og elektromagnetiske felt er en del av den samme grunnleggende kraften til elektromagnetisme. Den elektromagnetiske kraften virker mellom alle ladede partikler i universet. Den elektromagnetiske kraften tar form av hverdagsfenomener i elektrisitet og magnetisme, slik som statisk elektrisitet og de elektrisk ladede bindingene som holder molekyler sammen.

Denne kraften sammen med kjemiske reaksjoner danner også grunnlaget for den elektromotoriske kraften som lar strømmen strømme gjennom kretsene. Når et magnetfelt sees sammenflettet med et elektrisk felt, er det resulterende produktet kjent som et elektromagnetisk felt.

DeLorentz kraftligning​

beskriver kraften på en ladet partikkelqbeveger seg med hastighetvi nærvær av et elektrisk feltEog magnetfeltB. I denne ligningen erxmellomqvogBrepresenterer kryssproduktet. Første periodeqEer det elektriske feltets bidrag til kraften, og det andre begrepetqv x Ber magnetfeltets bidrag.

Lorentz-ligningen forteller deg også at den magnetiske kraften mellom ladningshastighetenvog magnetfeltetBerqvbsinϕmot et gebyrqhvorϕ("phi") er vinkelen mellomvogB, som må være mindre enn 180grader. Hvis vinkelen mellomvogBer større, bør du bruke vinkelen i motsatt retning for å fikse dette (fra definisjonen av et tverrprodukt). Hvisϕer 0, som i, hastighet og magnetfelt peker i samme retning, vil magnetkraften være 0. Partikkelen vil fortsette å bevege seg uten å bli avbøyd av magnetfeltet.

•••Syed Hussain Ather

I diagrammet over kryssproduktet mellom to vektorerenogberc. Legg merke til retningen og størrelsen påc. Det er i retningen vinkelrett påenogbnår gitt av høyre-regelen. Høyre-regelen betyr at retningen til det resulterende kryssproduktetcer gitt av tommelens retning når høyre pekefinger er i retning avbog høyre langfinger er i retning aven​.

Tverrproduktet er en vektoroperasjon som resulterer i vektoren vinkelrett på beggeqvogBgitt av høyre regel for de tre vektorene og med størrelsen på parallellogramområdet som vektoreneqvogBspan. Høyre-regelen betyr at du kan bestemme retningen på kryssproduktet mellomqvogBved å plassere høyre pekefinger i retning avB, langfingeren din i retning avqv, og den resulterende tommelretningen vil være tverrproduktretningen for disse to vektorene.

•••Syed Hussain Ather

I diagrammet ovenfor viser høyre regel også forholdet mellom magnetfelt, magnetisk kraft og strøm gjennom en ledning. Dette viser også at kryssproduktet mellom disse tre størrelsene kan representere høyrehåndsregelen da kryssproduktet mellom kraftens retning og feltet er lik strømens retning.

Magnetfelt på rundt 0,2 til 0,3 tesla brukes i MR, magnetisk resonansavbildning. MR er en metode leger bruker for å studere interne strukturer i pasientens kropp som hjerne, ledd og muskler. Dette gjøres vanligvis ved å plassere pasienten i et sterkt magnetfelt slik at feltet løper langs kroppens akse. Hvis du forestiller deg at pasienten var en magnetisk solenoid, ville de elektriske strømningene vikle seg rundt kroppen hans og kroppen magnetfeltet ville bli rettet i vertikal retning i forhold til kroppen, som diktert av høyre hånd regel.

Forskere og leger studerer deretter måtene protoner avviker fra sin normale justering for å studere strukturene i pasientens kropp. Gjennom dette kan leger stille trygge, ikke-invasive diagnoser av forskjellige tilstander.

Personen føler ikke magnetfeltet under prosessen, men fordi det er så mye vann i menneskekroppen, justerer hydrogenkjernene (som er protoner) seg på grunn av det magnetiske felt. MR-skanneren bruker et magnetfelt som protonene absorberer energi fra, og når magnetfeltet er slått av, går protonene tilbake til sine normale posisjoner. Enheten sporer deretter denne endringen i posisjon for å bestemme hvordan protonene er justert og skape et bilde av innsiden av pasientens kropp.