Cum funcționează câmpurile magnetice?

•••Syed Hussain Ather

​Campuri magneticedescrie modul în care forța magnetică este distribuită prin spațiu în jurul obiectelor. În general, pentru un obiect care este magnetic, liniile câmpului magnetic se deplasează de la polul nord al obiectului la polul sud, la fel ca în cazul câmpului magnetic al Pământului, așa cum se arată în diagrama de mai sus.

Aceeași forță magnetică care face ca obiectele să se lipească de suprafețele frigiderului sunt folosite în câmpul magnetic al Pământului, care protejează stratul de ozon de vântul solar dăunător. Câmpul magnetic formează pachete de energie care împiedică stratul de ozon să piardă dioxidul de carbon.

Puteți observa acest lucru turnând pilituri de fier, mici bucăți de fier asemănătoare unei pulberi, în prezența unui magnet. Așezați un magnet sub o bucată de hârtie sau o foaie ușoară de pânză. Se toarnă piliturile de fier și se observă formele și formațiunile pe care le iau. Determinați ce linii de câmp ar trebui să existe pentru a determina aranjarea și distribuirea depunerilor astfel în funcție de fizica câmpurilor magnetice.

Cu cât este mai mare densitatea liniilor câmpului magnetic trasate de la nord la sud, cu atât este mai mare magnitudinea câmpului magnetic. Acești poli nord și sud dictează, de asemenea, dacă obiectele magnetice sunt atractive (între polii nord și sud) sau respingătoare (între poli identici). Câmpurile magnetice sunt măsurate în unități de Tesla,T​.

Deoarece câmpurile magnetice se formează ori de câte ori sarcinile sunt în mișcare, câmpurile magnetice sunt induse din curent electric prin fire. Câmpul vă oferă o modalitate de a descrie puterea și direcția potențială a unei forțe magnetice în funcție de curent printr-un fir electric și de distanța pe care o parcurge curentul. Liniile câmpului magnetic formează cercuri concentrice în jurul firelor. Direcția acestor câmpuri poate fi determinată prin „regula din dreapta”.

Această regulă vă spune că, dacă plasați degetul mare drept în direcția curentului electric printr-un fir, câmpurile magnetice rezultate sunt în direcția în care se îndoaie degetele mâinii. Cu un curent mai mare, este indus un câmp magnetic mai mare.

Puteți utiliza diferite exemple deregula dreapta, o regulă generală pentru determinarea direcției diferitelor mărimi care implică câmp magnetic, forță magnetică și curent. Această regulă generală este utilă în multe cazuri în electricitate și magnetism, așa cum este dictată de matematica cantităților.

•••Syed Hussain Ather

Această regulă a mâinii drepte poate fi aplicată și în cealaltă direcție pentru un magnetsolenoid, sau o serie de curent electric înfășurat în fire în jurul unui magnet. Dacă îndreptați degetul mare cu mâna dreaptă în direcția câmpului magnetic, atunci degetele din mâna dreaptă se vor înfășura în direcția curentului electric. Solenoizii vă permit să valorificați puterea câmpului magnetic prin curenți electrici.

•••Syed Hussain Ather

Când o încărcătură electrică se deplasează, câmpul magnetic se generează pe măsură ce electronii care se rotesc și se mișcă în jurul lor devin ei înșiși obiecte magnetice. Elementele care au electroni nepereche în starea lor de bază, cum ar fi fierul, cobaltul și nichelul, pot fi aliniate astfel încât să formeze magneți permanenți. Câmpul magnetic produs de electronii acestor elemente lasă curentul electric să curgă mai ușor prin aceste elemente. Câmpurile magnetice se pot anula reciproc dacă sunt egale în mărime în direcții opuse.

Curentul care curge printr-o baterieEuemite un câmp magneticBla razarconform ecuației pentruLegea lui Ampère​:

Undeμ​₀ este constanta magnetică a permeabilității la vid,1,26 x 10^-6 H / m("Henries pe metru" în care Henries este unitatea de inductanță). Creșterea curentului și apropierea de fir cresc ambele câmpul magnetic care rezultă.

Pentru ca un obiect să fie magnetic, electronii care alcătuiesc obiectul trebuie să se poată deplasa liber în jurul și între atomii din obiect. Pentru ca un material să fie magnetic, atomii cu electroni nepereche de aceeași rotire sunt candidați ideali, deoarece acești atomi se pot împerechea între ei pentru a permite electronilor să curgă liber. Testarea materialelor în prezența câmpurilor magnetice și examinarea proprietăților magnetice ale atomilor care produc aceste materiale vă pot spune despre magnetismul lor.

​Feromagnetiau această proprietate că sunt magnetice permanent.ParamagnetiÎn schimb, nu vor afișa proprietăți magnetice decât în ​​prezența unui câmp magnetic pentru a alinia rotirile electronilor în sus, astfel încât să se poată deplasa liber.Diametriau compoziții atomice astfel încât să nu fie deloc afectate de câmpurile magnetice sau să fie afectate doar foarte puțin de câmpurile magnetice. Nu au sau puțini electroni nepereche pentru a lăsa să curgă sarcinile.

Paramagnetele funcționează deoarece sunt fabricate din materiale care au avut întotdeaunamomente magnetice, cunoscut sub numele de dipoli. Aceste momente sunt capacitatea lor de a se alinia cu un câmp magnetic extern datorită rotirii electronilor nepereche în orbitalele atomilor care realizează aceste materiale. În prezența unui câmp magnetic, materialele se aliniază pentru a se opune forței câmpului magnetic. Elementele paramagnetice includ magneziu, molibden, litiu și tantal.

În cadrul unui material feromagnetic, dipolul atomilor este permanent, de obicei ca rezultat al încălzirii și răcirii materialului paramagnetic. Acest lucru îi face să fie candidați ideali pentru electro-magneți, motoare, generatoare și transformatoare pentru utilizare în dispozitive electrice. Diametrii, în schimb, pot produce o forță care permite electronilor să curgă liber sub formă de curent care, apoi, creează un câmp magnetic opus oricărui câmp magnetic aplicat acestora. Acest lucru anulează câmpul magnetic și îi împiedică să devină magnetici.

Câmpurile magnetice determină modul în care forțele magnetice pot fi distribuite în prezența materialului magnetic. În timp ce câmpurile electrice descriu forța electrică în prezența unui electron, câmpurile magnetice nu au o astfel de particulă analogă pe care să descrie forța magnetică. Oamenii de știință au teorizat că ar putea exista un monopol magnetic, dar nu au existat dovezi experimentale care să arate că aceste particule există. Dacă ar exista, aceste particule ar avea o „încărcare” magnetică la fel cum particulele încărcate au sarcini electrice.

Rezultă forța magnetică datorită forței electromagnetice, forța care descrie atât componentele electrice, cât și cele magnetice ale particulelor și obiectelor. Acest lucru arată cât magnetismul intrinsec este același fenomen de electricitate, cum ar fi curentul și câmpul electric. Încărcarea unui electron este ceea ce determină câmpul magnetic să îl devieze prin forța magnetică la fel ca în câmpul electric și în forța electrică.

În timp ce numai particulele încărcate în mișcare degajă câmpuri magnetice și toate particulele încărcate se degajă câmpurile electrice, câmpurile magnetice și electromagnetice fac parte din aceeași forță fundamentală a electromagnetism. Forța electromagnetică acționează între toate particulele încărcate din univers. Forța electromagnetică ia forma unor fenomene cotidiene în electricitate și magnetism, cum ar fi electricitatea statică și legăturile încărcate electric care mențin moleculele împreună.

Această forță alături de reacțiile chimice formează, de asemenea, baza pentru forța electromotivă care permite curentului să circule prin circuite. Atunci când un câmp magnetic este privit împletit cu un câmp electric, produsul rezultat este cunoscut sub numele de câmp electromagnetic.

Ecuația forței Lorentz​

descrie forța asupra unei particule încărcateqdeplasându-se cu vitezăvîn prezența unui câmp electricEși câmpul magneticB. În această ecuațieXîntreqvșiBreprezintă produsul încrucișat. Primul termenqEeste contribuția câmpului electric la forță și al doilea termenqv x Beste contribuția câmpului magnetic.

De asemenea, ecuația Lorentz vă spune că forța magnetică dintre viteza de încărcarevși câmpul magneticBesteqvbsinϕpentru o taxăqUndeϕ("phi") este unghiul dintrevșiB, care trebuie să fie mai mic de 180grade. Dacă unghiul dintrevșiBeste mai mare, atunci ar trebui să utilizați unghiul în direcția opusă pentru a remedia acest lucru (din definiția unui produs încrucișat). Dacăϕeste 0, ca în, viteza și câmpul magnetic punct în aceeași direcție, forța magnetică va fi 0. Particula va continua să se miște fără a fi deviată de câmpul magnetic.

•••Syed Hussain Ather

În diagrama de mai sus, produsul încrucișat între doi vectoriAșibestec. Rețineți direcția și magnitudineac. Este în direcția perpendiculară peAșibcând este dat de regula mâinii drepte. Regula din dreapta înseamnă că direcția produsului încrucișat rezultatceste dat de direcția degetului mare atunci când degetul arătător drept este în direcțiabiar degetul mijlociu drept este în direcțiaA​.

Produsul încrucișat este o operație vectorială care are ca rezultat vectorul perpendicular pe ambeleqvșiBdată de regula din dreapta a celor trei vectori și cu magnitudinea ariei paralelogramului pe care vectoriiqvșiBspan. Regula din partea dreaptă înseamnă că puteți determina direcția produsului încrucișat întreqvșiBprin plasarea degetului arătător drept în direcțiaB, degetul mijlociu în direcțiaqv, iar direcția rezultată a degetului mare va fi direcția transversală a produsului acestor doi vectori.

•••Syed Hussain Ather

În diagrama de mai sus, regula din partea dreaptă demonstrează, de asemenea, relația dintre câmpul magnetic, forța magnetică și curentul printr-un fir. Acest lucru arată, de asemenea, că produsul încrucișat dintre aceste trei cantități poate reprezenta regula din partea dreaptă, deoarece produsul încrucișat între direcția forței și câmp este egal cu direcția curentului.

Câmpurile magnetice de aproximativ 0,2 până la 0,3 tesla sunt utilizate în RMN, imagistica prin rezonanță magnetică. RMN este o metodă utilizată de medici pentru a studia structurile interne din corpul pacientului, cum ar fi creierul, articulațiile și mușchii. Acest lucru se face în general prin plasarea pacientului într-un câmp magnetic puternic, astfel încât câmpul să ruleze de-a lungul axei corpului. Dacă vă imaginați că pacientul este un solenoid magnetic, curenții electrici s-ar înfășura în jurul corpului său și al acestuia câmpul magnetic ar fi direcționat în direcția verticală față de corp, așa cum este dictat de mâna dreaptă regulă.

Oamenii de știință și medicii studiază apoi modalitățile în care protonii deviază de la alinierea lor normală pentru a studia structurile din corpul pacientului. Prin aceasta, medicii pot face diagnostice sigure, neinvazive, ale diferitelor afecțiuni.

Persoana nu simte câmpul magnetic în timpul procesului, ci, pentru că există atât de multă apă în corpul uman, nucleii de hidrogen (care sunt protoni) se aliniază datorită magnetului camp. Scanerul RMN utilizează un câmp magnetic din care protonii absorb energia și, atunci când câmpul magnetic este oprit, protonii revin la pozițiile lor normale. Dispozitivul urmărește apoi această schimbare de poziție pentru a determina modul în care protonii sunt aliniați și pentru a crea o imagine a interiorului corpului pacientului.