Как работают магнитные поля?

•••Сайед Хуссейн Атер

​Магнитные поляописывают, как магнитная сила распределяется в пространстве вокруг объектов. Как правило, для магнитного объекта линии магнитного поля проходят от северного полюса объекта к южному полюсу, точно так же, как и для магнитного поля Земли, как показано на диаграмме выше.

Та же самая магнитная сила, которая заставляет предметы прилипать к поверхности холодильника, используется в магнитном поле Земли, которое защищает озоновый слой от вредного солнечного ветра. Магнитное поле формирует пакеты энергии, которые не позволяют озоновому слою терять углекислый газ.

Вы можете наблюдать это, засыпая железные опилки, маленькие порошкообразные железки в присутствии магнитного поля. Подложите магнит под лист бумаги или легкий кусок ткани. Вылейте железные опилки и посмотрите, какие формы и формы они принимают. Определите, какие силовые линии должны быть, чтобы опилки располагались и распределялись таким образом в соответствии с физикой магнитных полей.

Чем больше плотность линий магнитного поля, проведенных с севера на юг, тем больше величина магнитного поля. Эти северный и южный полюса также определяют, будут ли магнитные объекты привлекательными (между северным и южным полюсами) или отталкивающими (между идентичными полюсами). Магнитные поля измеряются в единицах Тесла,

Поскольку магнитные поля образуются всякий раз, когда заряды находятся в движении, магнитные поля индуцируются электрическим током через провода. Поле дает вам способ описать потенциальную силу и направление магнитной силы в зависимости от тока через электрический провод и расстояния, которое проходит ток. Силовые линии магнитного поля образуют концентрические круги вокруг проводов. Направление этих полей можно определить с помощью «правила правой руки».

Это правило говорит вам, что, если вы поместите большой палец правой руки в направлении электрического тока через провод, результирующие магнитные поля будут в том направлении, в котором сгибаются пальцы вашей руки. Чем больше ток, тем сильнее индуцируется магнитное поле.

Вы можете использовать разные примерыправило правой руки, общее правило для определения направления различных величин, включая магнитное поле, магнитную силу и ток. Это эмпирическое правило полезно во многих случаях, связанных с электричеством и магнетизмом, поскольку это диктуется математикой величин.

•••Сайед Хуссейн Атер

Это правило правой руки также может применяться в другом направлении для магнитногосоленоид, или серия электрического тока, обмотанного проволокой вокруг магнита. Если вы направите большой палец правой руки в направлении магнитного поля, пальцы правой руки будут сгибаться в направлении электрического тока. Соленоиды позволяют использовать силу магнитного поля через электрические токи.

•••Сайед Хуссейн Атер

При перемещении электрического заряда создается магнитное поле, поскольку вращающиеся и движущиеся электроны сами становятся магнитными объектами. Элементы, которые имеют неспаренные электроны в основном состоянии, такие как железо, кобальт и никель, могут быть выровнены так, что они образуют постоянные магниты. Магнитное поле, создаваемое электронами этих элементов, облегчает прохождение электрического тока через эти элементы. Сами магнитные поля также могут нейтрализовать друг друга, если они равны по величине в противоположных направлениях.

Ток, протекающий через батареюяиспускает магнитное полеBв радиусерсогласно уравнению дляЗакон Ампера​:

гдеμ​₀ - магнитная постоянная проницаемости вакуума,1,26 х 10^-6 H / м(«Генри на метр», где Генри - единица индуктивности). Увеличение тока и приближение к проводу увеличивают результирующее магнитное поле.

Чтобы объект был магнитным, электроны, составляющие объект, должны иметь возможность свободно перемещаться между атомами в объекте. Для того чтобы материал был магнитным, идеальными кандидатами являются атомы с неспаренными электронами одного и того же спина, поскольку эти атомы могут образовывать пары друг с другом, позволяя электронам свободно перемещаться. Тестирование материалов в присутствии магнитных полей и изучение магнитных свойств атомов, из которых состоят эти материалы, могут рассказать вам об их магнетизме.

​Ферромагнетикиобладают тем свойством, что они постоянно магнитные.Парамагнетики, напротив, не будет проявлять магнитные свойства, если только в присутствии магнитного поля не выравнивает спины электронов так, чтобы они могли свободно перемещаться.Диамагнетикиимеют такой атомный состав, что на них вообще не действуют магнитные поля или на них очень мало влияют магнитные поля. У них нет или мало неспаренных электронов, через которые проходят заряды.

Парамагнетики работают, потому что они сделаны из материалов, которые всегдамагнитные моменты, известные как диполи. Эти моменты - их способность выравниваться с внешним магнитным полем из-за спина неспаренных электронов на орбиталях атомов, из которых состоят эти материалы. В присутствии магнитного поля материалы выравниваются, чтобы противостоять силе магнитного поля. Парамагнитные элементы включают магний, молибден, литий и тантал.

Внутри ферромагнитного материала диполь атомов является постоянным, обычно в результате нагрева и охлаждения парамагнитного материала. Это делает их идеальными кандидатами для электромагнитов, двигателей, генераторов и трансформаторов для использования в электрических устройствах. Диамагнетики, напротив, могут создавать силу, которая позволяет электронам свободно течь в виде тока, который затем создает магнитное поле, противоположное любому приложенному к ним магнитному полю. Это нейтрализует магнитное поле и не дает им стать магнитными.

Магнитные поля определяют, как магнитные силы могут распределяться в присутствии магнитного материала. В то время как электрические поля описывают электрическую силу в присутствии электрона, магнитные поля не имеют такой аналогичной частицы, на которой можно было бы описать магнитную силу. Ученые предположили, что магнитный монополь может существовать, но не было экспериментальных доказательств того, что эти частицы существуют. Если бы они существовали, эти частицы имели бы магнитный «заряд» почти так же, как заряженные частицы имеют электрические заряды.

Магнитная сила возникает из-за электромагнитной силы, силы, которая описывает как электрические, так и магнитные компоненты частиц и объектов. Это показывает, насколько магнетизм присущ тем же явлениям электричества, как ток и электрическое поле. Заряд электрона - это то, что заставляет магнитное поле отклонять его посредством магнитной силы, так же, как электрическое поле и электрическая сила.

В то время как только движущиеся заряженные частицы излучают магнитные поля, а все заряженные частицы излучают электрические поля, магнитные и электромагнитные поля являются частью одной и той же фундаментальной силы электромагнетизм. Электромагнитная сила действует между всеми заряженными частицами во Вселенной. Электромагнитная сила принимает форму повседневных явлений электричества и магнетизма, таких как статическое электричество и электрически заряженные связи, которые удерживают молекулы вместе.

Эта сила наряду с химическими реакциями также формирует основу электродвижущей силы, которая позволяет току течь по цепям. Когда магнитное поле переплетается с электрическим полем, полученный продукт известен как электромагнитное поле.

ВУравнение силы Лоренца​

описывает силу, действующую на заряженную частицуqдвижется со скоростьюvв присутствии электрического поляEи магнитное полеB. В этом уравненииИксмеждуqvа такжеBпредставляет собой перекрестный продукт. Первый срокqE- вклад электрического поля в силу, а второй членqv x B- вклад магнитного поля.

Уравнение Лоренца также говорит вам, что магнитная сила между скоростью зарядаvи магнитное полеBявляетсяqvbsinϕза платуqгдеϕ("фи") - это угол междуvа такжеB, которое должно быть меньше 180градусов. Если угол междуvа такжеBбольше, то вы должны использовать угол в противоположном направлении, чтобы исправить это (из определения перекрестного произведения). Еслиϕравно 0, так как скорость и магнитное поле направлены в одном направлении, магнитная сила будет равна 0. Частица продолжит движение, не отклоняясь от магнитного поля.

•••Сайед Хуссейн Атер

На диаграмме выше перекрестное произведение двух вектороваа такжебявляетсяc. Обратите внимание на направление и величинуc. Это в направлении, перпендикулярномаа такжебкогда задается правилом правой руки. Правило правой руки означает, что направление результирующего перекрестного произведенияcопределяется направлением большого пальца, когда указательный палец правой руки находится в направленииби ваш средний палец правой руки находится в направленииа​.

Перекрестное произведение - это векторная операция, которая приводит к вектору, перпендикулярному обоимqvа такжеBзадается правилом правой руки трех векторов и с величиной площади параллелограмма, которую векторыqvа такжеBохватывать. Правило правой руки означает, что вы можете определить направление перекрестного произведения междуqvа такжеBпоместив указательный палец правой руки в направленииBваш средний палец в направленииqv, и результирующее направление вашего большого пальца будет направлением перекрестного произведения этих двух векторов.

•••Сайед Хуссейн Атер

На приведенной выше диаграмме правило правой руки также демонстрирует взаимосвязь между магнитным полем, магнитной силой и током через провод. Это также показывает, что перекрестное произведение между этими тремя величинами может представлять собой правило правой руки, поскольку перекрестное произведение между направлением силы и полем равно направлению тока.

Магнитные поля от 0,2 до 0,3 тесла используются в МРТ, магнитно-резонансной томографии. МРТ - это метод, который врачи используют для изучения внутренних структур тела пациента, таких как мозг, суставы и мышцы. Обычно это делается путем помещения пациента в сильное магнитное поле так, чтобы оно проходило вдоль оси тела. Если вы представите пациента магнитным соленоидом, электрические токи будут обволакивать его или ее тело и магнитное поле будет направлено в вертикальном направлении по отношению к телу, как диктуется правой правило.

Затем ученые и врачи изучают, как протоны отклоняются от своего нормального положения, чтобы изучить структуры внутри тела пациента. Благодаря этому врачи могут проводить безопасную неинвазивную диагностику различных состояний.

Во время процесса человек не чувствует магнитное поле, но из-за большого количества воды в человеческом теле ядра водорода (которые являются протонами) выравниваются из-за магнитных поле. Сканер МРТ использует магнитное поле, из которого протоны поглощают энергию, и, когда магнитное поле отключается, протоны возвращаются в свое нормальное положение. Затем устройство отслеживает это изменение положения, чтобы определить, как протоны выровнены, и создать изображение внутренней части тела пациента.