Ako fungujú magnetické polia?

•••Syed Hussain Ather

​Magnetické poliapopíšte, ako je magnetická sila rozložená priestorom okolo objektov. Všeobecne platí, že pre magnetický objekt sa čiary magnetického poľa pohybujú od severného pólu k južnému pólu, rovnako ako pri magnetickom poli Zeme, ako je to znázornené na obrázku vyššie.

Rovnaká magnetická sila, ktorá spôsobuje, že sa objekty prilepia k povrchom chladničky, sa používa v magnetickom poli Zeme, ktoré chráni ozónovú vrstvu pred škodlivým slnečným vetrom. Magnetické pole vytvára balíčky energie, ktoré zabraňujú tomu, aby ozónová vrstva stratila oxid uhličitý.

Môžete to pozorovať nalievaním železných pilín, malých kúskov železa ako prášku, za prítomnosti magnetu. Pod kúsok papiera alebo ľahkú handričku položte magnet. Nalejte železné piliny a sledujte tvary a útvary, ktoré naberajú. Určte, aké siločiary by museli byť, aby sa piliny usporiadali a distribuovali takto podľa fyziky magnetických polí.

Čím väčšia je hustota magnetických siločiar vedených zo severu na juh, tým väčšia je veľkosť magnetického poľa. Tieto severné a južné póly tiež určujú, či sú magnetické objekty atraktívne (medzi severným a južným pólom) alebo odpudivé (medzi identickými pólmi). Magnetické polia sa merajú v jednotkách Tesla,

Pretože magnetické polia sa vytvárajú vždy, keď sú náboje v pohybe, magnetické polia sú indukované z elektrického prúdu cez drôty. Toto pole poskytuje spôsob popísania potenciálnej sily a smeru magnetickej sily v závislosti na prúde elektrickým vodičom a vzdialenosti, ktorú prúd prechádza. Magnetické siločiary vytvárajú okolo drôtov sústredné kruhy. Smer týchto polí je možné určiť pomocou „pravidla pravej ruky“.

Toto pravidlo vám hovorí, že ak položíte pravý palec v smere elektrického prúdu cez vodič, výsledné magnetické polia sú v smere zvlnenia prstov vašej ruky. Pri väčšom prúde je indukované väčšie magnetické pole.

Môžete použiť rôzne príklady súborupravidlo pravej ruky, všeobecné pravidlo na určovanie smeru rôznych veličín zahŕňajúcich magnetické pole, magnetickú silu a prúd. Toto základné pravidlo je užitočné v mnohých prípadoch v prípade elektriny a magnetizmu, ako to vyžaduje matematika veličín.

•••Syed Hussain Ather

Toto pravidlo pravej ruky sa dá pri magnetickej rovine použiť aj v opačnom smeresolenoidalebo séria elektrického prúdu zabaleného v drôtoch okolo magnetu. Ak namierite pravý palec v smere magnetického poľa, potom sa vaše pravé prsty budú ovinúť dookola v smere elektrického prúdu. Solenoidy vám umožňujú využívať silu magnetického poľa prostredníctvom elektrických prúdov.

•••Syed Hussain Ather

Keď sa elektrický náboj pohybuje, generuje sa magnetické pole, keď sa elektróny, ktoré sa otáčajú a pohybujú okolo, stávajú samotnými magnetickými objektmi. Prvky, ktoré majú v základnom stave nespárené elektróny, ako je železo, kobalt a nikel, je možné zarovnať tak, aby vytvorili trvalé magnety. Magnetické pole produkované elektrónmi týchto prvkov umožňuje ľahšie prúdenie elektrického prúdu cez tieto prvky. Samotné magnetické polia sa tiež môžu navzájom rušiť, ak majú rovnakú veľkosť v opačných smeroch.

Prúd pretekajúci batériouJavydáva magnetické poleBv polomererpodľa rovnice preAmpèrov zákon​:

kdeμ​₀ je magnetická konštanta permeability vákua,1,26 x 10^-6 H / m(„Henries na meter“, v ktorom je Henries jednotkou indukčnosti). Zvyšovaním prúdu a približovaním sa k drôtu sa zvyšuje výsledné magnetické pole.

Aby bol predmet magnetický, elektróny, ktoré ho tvoria, musia byť schopné voľného pohybu okolo a medzi atómami v objekte. Na to, aby bol materiál magnetický, sú ideálnymi kandidátmi atómy s nepárovými elektrónmi rovnakej rotácie, pretože tieto atómy sa môžu navzájom párovať, aby umožnili elektrónom voľný tok. Testovanie materiálov za prítomnosti magnetických polí a skúmanie magnetických vlastností atómov, ktoré tieto materiály vytvárajú, vám môžu povedať o ich magnetizmu.

​Feromagnetymať túto vlastnosť, že sú permanentne magnetické.Paramagnety, naopak, nebude zobrazovať magnetické vlastnosti, pokiaľ v prítomnosti magnetického poľa nevyrovná točenie elektrónov tak, aby sa mohli voľne pohybovať.Diamagnetymajú atómové zloženie také, že nie sú ovplyvnené magnetickými poľami vôbec alebo sú ovplyvňované magnetickými poľami len veľmi málo. Nemajú žiadne alebo málo nespárených elektrónov, ktoré by umožnili prúdenie nábojov.

Parametrické magnety fungujú, pretože sú vyrobené z materiálov, ktoré vždy bolimagnetické momenty, známe ako dipóly. Tieto momenty sú ich schopnosťou vyrovnať sa s vonkajším magnetickým poľom v dôsledku rotácie nepárových elektrónov na obežných dráhach atómov, ktoré tieto materiály vytvárajú. V prítomnosti magnetického poľa sa materiály vyrovnávajú, aby pôsobili proti sile magnetického poľa. Medzi paramagnetické prvky patrí horčík, molybdén, lítium a tantal.

Vo feromagnetickom materiáli je dipól atómov permanentný, zvyčajne ako výsledok zahrievania a ochladzovania paramagnetického materiálu. Vďaka tomu sú ideálnymi kandidátmi na elektromagnety, motory, generátory a transformátory na použitie v elektrických zariadeniach. Diamagnety naopak môžu produkovať silu, ktorá nechá elektróny voľne prúdiť vo forme prúdu, ktorý potom vytvára magnetické pole oproti akémukoľvek magnetickému poľu použitému na ne. Týmto sa zruší magnetické pole a zabráni sa ich magnetizácii.

Magnetické polia určujú, ako je možné rozložiť magnetické sily v prítomnosti magnetického materiálu. Zatiaľ čo elektrické polia popisujú elektrickú silu v prítomnosti elektrónu, magnetické polia nemajú také analogické častice, ktoré by popisovali magnetickú silu. Vedci predpokladali, že môže existovať magnetický monopol, ale neexistujú experimentálne dôkazy o tom, že tieto častice existujú. Keby existovali, mali by tieto častice magnetický „náboj“ rovnako, ako majú nabité častice elektrické náboje.

Výsledok magnetickej sily je spôsobený elektromagnetickou silou, silou, ktorá popisuje elektrické aj magnetické komponenty častíc a predmetov. To ukazuje, aký je vnútorný magnetizmus na rovnaké javy elektriny, ako je prúd a elektrické pole. Náboj elektrónu je to, čo spôsobuje, že ho magnetické pole odkláňa prostredníctvom magnetickej sily rovnakým spôsobom, ako to robí elektrické pole a elektrická sila.

Zatiaľ čo iba pohybujúce sa nabité častice vydávajú magnetické polia a všetky nabité častice elektrické polia, magnetické a elektromagnetické polia sú súčasťou rovnakej základnej sily elektromagnetizmus. Elektromagnetická sila pôsobí medzi všetkými nabitými časticami vo vesmíre. Elektromagnetická sila má formu každodenných javov v elektrine a magnetizme, ako je statická elektrina a elektricky nabité väzby, ktoré udržujú molekuly pohromade.

Táto sila popri chemických reakciách tiež tvorí základ pre elektromotorickú silu, ktorá umožňuje prúdenie prúdom v obvodoch. Pri pohľade na magnetické pole prepletené s elektrickým poľom je výsledný produkt známy ako elektromagnetické pole.

TheLorentzova rovnica síl​

popisuje silu na nabitú časticuqpohybujúci sa rýchlosťouvv prítomnosti elektrického poľaEa magnetické poleB. V tejto rovnici platíXmedziqvaBpredstavuje vedľajší produkt. Prvý termínqEje príspevok elektrického poľa k sile a druhý členqv x Bje príspevok magnetického poľa.

Lorentzova rovnica vám tiež hovorí, že magnetická sila medzi rýchlosťou nábojava magnetické poleBjeqvbsinϕza poplatokqkdeϕ(„phi“) je uhol medzivaB, ktorá musí byť menšia ako 180stupňov. Ak je uhol medzivaBje väčšie, mali by ste to napraviť pomocou uhla v opačnom smere (z definície krížového produktu). Akϕje 0, rovnako ako v, rýchlosť a bod magnetického poľa v rovnakom smere, magnetická sila bude 0. Častica sa bude naďalej pohybovať bez toho, aby bola vychýlená magnetickým poľom.

•••Syed Hussain Ather

Na vyššie uvedenom diagrame krížový produkt medzi dvoma vektormiaabjec. Všimnite si smer a veľkosťc. Je to v smere kolmom naaabak je dané pravidlom pravej ruky. Pravidlo pravej ruky znamená, že smer výsledného krížového produktucje dané smerom vášho palca, keď je váš pravý ukazovák v smereba váš pravý prostredník je v smere ka​.

Krížový produkt je vektorová operácia, ktorej výsledkom je vektor kolmý na obidveqvaBdané pravidlom troch vektorov a veľkosťou plochy rovnobežníka, ktorú majú vektoryqvaBrozpätie. Pravidlo pravej ruky znamená, že môžete určiť smer medziproduktu medziqvaBumiestnením pravého ukazováka v smereB, prostredník v smereqv, a výsledný smer vášho palca bude krížovým produktom týchto dvoch vektorov.

•••Syed Hussain Ather

Na vyššie uvedenom diagrame pravidlo vpravo tiež demonštruje vzťah medzi magnetickým poľom, magnetickou silou a prúdom vedeným cez vodič. To tiež ukazuje, že krížový súčin medzi týmito tromi veličinami môže predstavovať pravidlo pravej ruky, pretože krížový súčin medzi smerom sily a poľom sa rovná smeru prúdu.

Pri zobrazovaní magnetickou rezonanciou sa používajú magnetické polia s veľkosťou približne 0,2 až 0,3 tesla. MRI je metóda, ktorú lekári používajú na štúdium vnútorných štruktúr v tele pacienta, ako sú mozog, kĺby a svaly. Spravidla sa to deje umiestnením pacienta do silného magnetického poľa tak, aby pole prechádzalo pozdĺž osi tela. Ak si predstavíte, že by pacient bol magnetický solenoid, elektrické prúdy by sa ovinuli okolo jeho tela a tela magnetické pole by bolo nasmerované vo vertikálnom smere k telu, ako to určuje pravá ruka pravidlo.

Vedci a lekári potom študujú spôsoby, ako sa protóny odchyľujú od normálneho usporiadania, aby študovali štruktúry v tele pacienta. Vďaka tomu môžu lekári robiť bezpečné, neinvazívne diagnostiky rôznych stavov.

Osoba počas procesu necíti magnetické pole, ale preto, že je v ňom toľko vody v ľudskom tele sa vodíkové jadrá (ktoré sú protónmi) vzájomne magneticky zarovnávajú lúka. Skener MRI využíva magnetické pole, z ktorého protóny absorbujú energiu, a keď je magnetické pole vypnuté, protóny sa vrátia do svojej normálnej polohy. Prístroj potom sleduje túto zmenu polohy, aby určil, ako sú protóny zarovnané, a vytvoril obraz vnútra tela pacienta.