Jak działają pola magnetyczne?

•••Syed Hussain Ather

​Pola magnetyczneopisz, jak siła magnetyczna jest rozprowadzana w przestrzeni wokół obiektów. Ogólnie rzecz biorąc, dla obiektu, który jest magnetyczny, linie pola magnetycznego biegną od bieguna północnego obiektu do bieguna południowego, tak samo jak w przypadku pola magnetycznego Ziemi, jak pokazano na powyższym schemacie.

Ta sama siła magnetyczna, która sprawia, że ​​przedmioty przyklejają się do powierzchni lodówki, jest wykorzystywana w ziemskim polu magnetycznym, które chroni warstwę ozonową przed szkodliwym wiatrem słonecznym. Pole magnetyczne tworzy pakiety energii, które zapobiegają utracie dwutlenku węgla przez warstwę ozonową.

Można to zaobserwować, wylewając żelazne opiłki, małe sproszkowane kawałki żelaza, w obecności magnesu. Umieść magnes pod kartką papieru lub cienką szmatką. Wlej opiłki żelaza i obserwuj kształty i formacje, jakie przybierają. Określ, jakie musiałyby być linie pola, aby opiłki ułożyły się i rozmieściły w ten sposób zgodnie z fizyką pól magnetycznych.

Im większa gęstość linii pola magnetycznego narysowanych z północy na południe, tym większa wielkość pola magnetycznego. Te bieguny północne i południowe określają również, czy obiekty magnetyczne są atrakcyjne (między biegunami północnym i południowym), czy odpychające (między identycznymi biegunami). Pola magnetyczne są mierzone w jednostkach Tesli,T​.

Ponieważ pola magnetyczne powstają, gdy ładunki są w ruchu, pola magnetyczne są indukowane z prądu elektrycznego płynącego przez przewody. Pole pozwala opisać potencjalną siłę i kierunek siły magnetycznej w zależności od prądu płynącego przez przewód elektryczny i odległości, jaką pokonuje prąd. Linie pola magnetycznego tworzą koncentryczne okręgi wokół przewodów. Kierunek tych pól można określić za pomocą „reguły prawej ręki”.

Ta zasada mówi, że jeśli umieścisz prawy kciuk w kierunku przepływu prądu elektrycznego przez przewód, powstałe pola magnetyczne będą skierowane w kierunku, w którym zginają się palce dłoni. Przy większym prądzie indukowane jest większe pole magnetyczne.

Możesz użyć różnych przykładówreguła prawej ręki, ogólna zasada określania kierunku różnych wielkości obejmujących pole magnetyczne, siłę magnetyczną i prąd. Ta praktyczna zasada jest użyteczna w wielu przypadkach w elektryczności i magnetyzmie, co jest podyktowane matematyką wielkości.

•••Syed Hussain Ather

Ta reguła prawej ręki może być również zastosowana w innym kierunku dla magnetycznegoElektrozawórlub seria prądu elektrycznego owinięta drutami wokół magnesu. Jeśli skierujesz kciuk prawej ręki w kierunku pola magnetycznego, palce prawej ręki zawiną w kierunku prądu elektrycznego. Solenoidy pozwalają wykorzystać siłę pola magnetycznego za pomocą prądu elektrycznego.

•••Syed Hussain Ather

Kiedy ładunek elektryczny przemieszcza się, powstaje pole magnetyczne, gdy elektrony, które wirują i poruszają się, same stają się obiektami magnetycznymi. Pierwiastki, które mają niesparowane elektrony w stanie podstawowym, takie jak żelazo, kobalt i nikiel, można ustawić tak, aby tworzyły magnesy trwałe. Pole magnetyczne wytwarzane przez elektrony tych pierwiastków umożliwia łatwiejszy przepływ prądu elektrycznego przez te pierwiastki. Same pola magnetyczne mogą również znosić się nawzajem, jeśli są równe co do wielkości w przeciwnych kierunkach.

Prąd płynący przez baterięjawydziela pole magnetycznebw promieniurzgodnie z równaniem naPrawo Ampère'a​:

gdzieμ​₀ jest stałą magnetyczną przepuszczalności próżni,1,26 x 10^-6 H/m(„Henries na metr”, w których Henries jest jednostką indukcyjności). Zwiększanie prądu i zbliżanie się do przewodu zwiększają powstające pole magnetyczne.

Aby obiekt był magnetyczny, elektrony, które go tworzą, muszą mieć możliwość swobodnego poruszania się wokół i między atomami w obiekcie. Aby materiał był magnetyczny, atomy z niesparowanymi elektronami o tym samym spinie są idealnymi kandydatami, ponieważ atomy te mogą łączyć się ze sobą, aby umożliwić swobodny przepływ elektronów. Testowanie materiałów w obecności pól magnetycznych i badanie właściwości magnetycznych atomów, z których te materiały je wytwarzają, może dostarczyć informacji o ich magnetyzmie.

​Ferromagnesymają tę właściwość, że są trwale magnetyczne.Paramagnesy, przeciwnie, nie wykaże właściwości magnetycznych, chyba że w obecności pola magnetycznego, które ułoży spiny elektronów tak, aby mogły się swobodnie poruszać.Diamagnesymają taki skład atomowy, że w ogóle nie mają na nie wpływu pola magnetyczne lub pola magnetyczne mają na nie tylko niewielki wpływ. Nie mają lub mają niewiele niesparowanych elektronów, przez które przepływają ładunki.

Paramagnesy działają, ponieważ są wykonane z materiałów, które zawsze mająmomenty magnetyczne, znane jako dipole. Te momenty to ich zdolność do wyrównania się z zewnętrznym polem magnetycznym ze względu na spin niesparowanych elektronów na orbitalach atomów, które tworzą te materiały. W obecności pola magnetycznego materiały dopasowują się, aby przeciwstawić się sile pola magnetycznego. Do pierwiastków paramagnetycznych należą magnez, molibden, lit i tantal.

W materiale ferromagnetycznym dipol atomów jest trwały, zwykle w wyniku ogrzewania i chłodzenia materiału paramagnetycznego. To sprawia, że ​​są idealnymi kandydatami na elektromagnesy, silniki, generatory i transformatory stosowane w urządzeniach elektrycznych. Natomiast diamagnety mogą wytwarzać siłę, która pozwala elektronom swobodnie płynąć w postaci prądu, który następnie wytwarza pole magnetyczne przeciwne do każdego przyłożonego do nich pola magnetycznego. To znosi pole magnetyczne i zapobiega ich namagnesowaniu.

Pola magnetyczne określają rozkład sił magnetycznych w obecności materiału magnetycznego. Podczas gdy pola elektryczne opisują siłę elektryczną w obecności elektronu, pola magnetyczne nie mają takiej analogicznej cząstki, na której można by opisać siłę magnetyczną. Naukowcy wysnuli teorię, że może istnieć monopol magnetyczny, ale nie ma dowodów doświadczalnych, które wykazałyby istnienie tych cząstek. Gdyby istniały, cząstki te miałyby „ładunek” magnetyczny w taki sam sposób, w jaki naładowane cząstki mają ładunki elektryczne.

Siła magnetyczna powstaje dzięki sile elektromagnetycznej, która opisuje zarówno elektryczne, jak i magnetyczne składniki cząstek i przedmiotów. To pokazuje, jak magnetyzm jest związany z tymi samymi zjawiskami elektrycznymi, takimi jak prąd i pole elektryczne. Ładunek elektronu powoduje, że pole magnetyczne odchyla go za pomocą siły magnetycznej w taki sam sposób, jak pole elektryczne i siła elektryczna.

Podczas gdy tylko poruszające się naładowane cząstki wydzielają pola magnetyczne, a wszystkie naładowane cząstki wydzielają pola elektryczne, magnetyczne i elektromagnetyczne są częścią tej samej fundamentalnej siły elektromagnetyzm. Siła elektromagnetyczna działa między wszystkimi naładowanymi cząsteczkami we wszechświecie. Siła elektromagnetyczna przybiera postać codziennych zjawisk związanych z elektrycznością i magnetyzmem, takich jak elektryczność statyczna i elektrycznie naładowane wiązania, które utrzymują cząsteczki razem.

Siła ta wraz z reakcjami chemicznymi stanowi również podstawę siły elektromotorycznej, która umożliwia przepływ prądu przez obwody. Kiedy pole magnetyczne jest postrzegane jako splecione z polem elektrycznym, powstały produkt jest znany jako pole elektromagnetyczne.

Równanie siły Lorentza​

opisuje siłę działającą na naładowaną cząstkęqporuszający się z prędkościąvw obecności pola elektrycznegomii pole magnetyczneb. W tym równaniuxpomiędzyqvibreprezentuje produkt krzyżowy. Pierwszy terminqEjest wkładem pola elektrycznego do siły, a drugi członqv x Bjest wkładem pola magnetycznego.

Równanie Lorentza mówi również, że siła magnetyczna między prędkością ładunkuvi pole magnetycznebjestqvbsinϕza opłatąqgdzieϕ("phi") to kąt pomiędzyvib, który musi być mniejszy niż 180stopnie. Jeśli kąt międzyvibjest większa, należy użyć kąta w przeciwnym kierunku, aby to naprawić (z definicji iloczynu krzyżowego). Gdybyϕwynosi 0, ponieważ prędkość i pole magnetyczne są w tym samym kierunku, siła magnetyczna wyniesie 0. Cząstka będzie się nadal poruszać bez odchylania jej przez pole magnetyczne.

•••Syed Hussain Ather

Na powyższym diagramie produkt krzyżowy między dwoma wektoramizaibjestdo. Zwróć uwagę na kierunek i wielkośćdo. Jest w kierunku prostopadłym dozaibgdy podane przez regułę prawej ręki. Reguła prawej ręki oznacza, że ​​kierunek wynikowego produktu krzyżowegodopodaje kierunek kciuka, gdy prawy palec wskazujący jest w kierunkuba prawy środkowy palec jest w kierunkuza​.

Iloczyn krzyżowy jest operacją wektorową, w wyniku której wektor jest prostopadły do ​​obuqvibpodana przez prawą regułę trzech wektorów i o wielkości pola równoległoboku, że wektoryqvibZakres. Reguła prawej ręki oznacza, że ​​możesz określić kierunek iloczynu krzyżowego międzyqvibumieszczając prawy palec wskazujący w kierunkub, środkowy palec w kierunkuqv, a wynikowy kierunek kciuka będzie kierunkiem iloczynu krzyżowego tych dwóch wektorów.

•••Syed Hussain Ather

Na powyższym schemacie reguła po prawej stronie pokazuje również związek między polem magnetycznym, siłą magnetyczną i prądem w przewodzie. Pokazuje to również, że produkt krzyżowy między tymi trzema wielkościami może reprezentować regułę prawej ręki, ponieważ produkt krzyżowy między kierunkiem siły a polem jest równy kierunkowi prądu.

Pola magnetyczne o wartości około 0,2 do 0,3 tesli są używane w MRI, obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego. MRI to metoda stosowana przez lekarzy do badania struktur wewnętrznych w ciele pacjenta, takich jak mózg, stawy i mięśnie. Zwykle odbywa się to poprzez umieszczenie pacjenta w silnym polu magnetycznym, tak aby pole przebiegało wzdłuż osi ciała. Jeśli wyobrazisz sobie, że pacjent jest solenoidem magnetycznym, prądy elektryczne owinęłyby się wokół jego ciała i pole magnetyczne byłoby skierowane w kierunku pionowym w stosunku do ciała, zgodnie z dyktando prawej ręki reguła.

Naukowcy i lekarze badają następnie, w jaki sposób protony odchylają się od ich normalnego ustawienia, aby zbadać struktury w ciele pacjenta. Dzięki temu lekarze mogą dokonywać bezpiecznych, nieinwazyjnych diagnoz różnych schorzeń.

Osoba nie czuje pola magnetycznego podczas procesu, ale ponieważ jest tak dużo wody w ludzkim ciele jądra wodoru (które są protonami) wyrównują się pod wpływem pola magnetycznego pole. Skaner MRI wykorzystuje pole magnetyczne, z którego protony pochłaniają energię, a po wyłączeniu pola magnetycznego protony wracają do swoich normalnych pozycji. Urządzenie następnie śledzi tę zmianę położenia, aby określić, w jaki sposób protony są wyrównane i stworzyć obraz wnętrza ciała pacjenta.