Magnetfält: definition, orsaker, formel, enheter och mätning (med exempel)

Fält finns runt omkring oss. Oavsett om det är gravitationsfältet orsakat av jordens massa eller de elektriska fält som skapas av laddade partiklar som elektroner, det finns osynliga fält överallt, som representerar potentialer och osynliga krafter som kan förflytta föremål med lämpligt egenskaper.

Till exempel betyder ett elektriskt fält i ett område att ett laddat objekt kan avledas från sin ursprungliga väg när det kommer in i regionen, och gravitationsfältet på grund av jordens massa håller dig stadigt på jordens yta såvida du inte gör något för att övervinna dess inflytande.

Magnetfält är orsaken till magnetiska krafter, och föremål som utövar magnetiska krafter på andra objekt gör det genom att skapa ett magnetfält. Magnetfält kan detekteras genom avböjning av kompassnålar som ligger i linje med fältlinjer (den magnetiska norr om nålen pekar mot magnetisk söder). Om du studerar elektricitet och magnetism är det ett viktigt steg på din resa att lära dig mer om magnetfält och magnetkraften.

I fysik i allmänhet är fält vektorer med värden i varje region i rymden som berättar hur stark eller svag en effekt är vid den punkten och riktning för effekten. Till exempel skapar ett objekt med massa, precis som solen, ett gravitationsfält, och andra objekt med massa som kommer in i det fältet påverkas av en kraft som ett resultat. Så här håller solens gravitation jorden i en bana runt den.

Längre ut i solsystemet, t.ex. vid Uranus bana, gäller samma kraft, men styrkan är mycket lägre. Det riktas alltid rakt mot solen; om du föreställer dig en samling pilar som omger solen, som alla pekar mot den men med längre längder på nära avstånd (starkare kraft) och mindre längder på långa avstånd (svagare kraft), du har i princip föreställt dig gravitationsfältet i solen systemet.

På samma sätt som detta skapar objekt med laddning elektriska fält och rörliga laddningar genererasmagnetiska fält, som kan ge upphov till en magnetisk kraft i ett närliggande laddat föremål eller andra magnetiska material.

Dessa fält är lite mer komplicerade när det gäller form än gravitationsfält, eftersom de har magnetiska loopar fältlinjer som kommer ut från den positiva (eller nordpolen) och slutar vid den negativa (eller sydpolen), men de fyller samma grundläggande roll. De är som kraftlinjer som berättar hur ett föremål placerat på en plats kommer att bete sig. Du kan tydligt visualisera detta med hjälp av järnark, som kommer att anpassas till det yttre magnetfältet.

Magnetfält äralltid​ ​dipolfält, så det finns inga magnetiska monopol. Generellt representeras magnetfält med bokstavenB, men om ett magnetfält passerar genom ett magnetiskt material kan detta polariseras och generera sitt eget magnetfält. Detta andra fält bidrar till det första fältet, och kombinationen av de två hänvisas till i bokstavenH, var

med μ₀ = 4π × 10⁻⁷ H / m (dvs den magnetiska permeabiliteten för fritt utrymme) och K_m är den relativa permeabiliteten för det aktuella materialet.

Mängden magnetfält som passerar genom ett visst område kallas magnetiskt flöde. Magnetisk flödestäthet är relaterad till lokal fältstyrka. Eftersom magnetfält alltid är dipolära är nätmagnetflödet genom en sluten yta 0. (Alla fältlinjer som går ut från ytan, måste nödvändigtvis ange den igen och avbryta.)

SI-enheten med magnetfältstyrka är tesla (T), där:

1 tesla = 1 T = 1 kg / A s² = 1 V s / m² = 1 N / A m

En annan mycket använd enhet för magnetfältstyrka är Gauss (G), där:

1 gauss = 1 G = 10⁻⁴ T

Tesla är en ganska stor enhet, så i många praktiska situationer är gauss ett mer användbart val - till exempel a kylmagneten har en styrka på cirka 100 G, medan jordens magnetfält på jordens yta är cirka 0,5 G.

Elektricitet och magnetism är i grunden sammanflätade eftersom magnetfält genereras genom rörlig laddning (som elektriska strömmar) eller förändrade elektriska fält, medan ett magnetfält som förändras genererar ett elektriskt fält.

I en stavmagnet eller ett liknande magnetiskt föremål kommer magnetfältet från flera magnetiska "domäner" blir i linje, vilket i sin tur skapas av rörelsen hos de laddade elektronerna runt deras kärnor atomer. Dessa rörelser producerar små magnetfält inom en domän. I de flesta material kommer domäner att ha slumpmässig justering och avbryta varandra, men i vissa material, magnetfält i angränsande domäner anpassas, och detta ger större skala magnetism.

Jordens magnetfält genereras också av rörlig laddning, men i detta fall är det rörelsen för det smälta skiktet som omger jordens kärna som skapar magnetfältet. Detta förklaras avdynamo teori, som beskriver hur en roterande, elektriskt laddad vätska genererar ett magnetfält. Jordens yttre kärna innehåller ständigt rörligt flytande järn, med elektroner som vandrar genom vätskan och genererar magnetfältet.

Solen har också ett magnetfält, och förklaringen till hur detta fungerar är mycket lika. De olika rotationshastigheterna för olika delar av solen (dvs. det vätskeformiga materialet vid olika breddgrader) leder dock till fältlinjerna trassla sig över tiden liksom många fenomen associerade med solen, som solfacklor och solfläckar, och den ungefär 11-åriga solenergin cykel. Solen har två poler, precis som en stapelmagnet, men rörelserna från solens plasma och den gradvis ökande solaktiviteten får magnetpolerna att vända vart 11: e år.

De magnetiska fälten på grund av olika arrangemang för rörlig laddning måste härledas individuellt, men det finns många standardformler du kan använda så att du inte har "återuppfinna hjulet" varje tid. Du kan härleda formler för i princip alla arrangemang för flyttning av laddning med Biot-Savart-lagen eller Ampere-Maxwell-lagen. De resulterande formlerna för enkla arrangemang av elektrisk ström används dock så ofta och citeras att du kan behandla dem helt enkelt som "standardformler" snarare än att härleda dem från Biot-Savart eller Ampere-Maxwell-lagen varje gång.

Magnetfältet för en rakström bestäms utifrån Amperes lag (en enklare form av Ampere-Maxwell-lagen) som:

Varμ​₀ är som definierats tidigare,Jagär strömmen i ampere ochrär avståndet från den tråd du mäter magnetfältet.

Magnetfältet i mitten av en strömslinga ges av:

VarRär slingans radie och de andra symbolerna är som tidigare definierats.

Slutligen ges magnetfältet för en solenoid av:

VarNär antalet varv ochLär längden på solenoiden. Magnetfältet hos en solenoid är i hög grad koncentrerat i mitten av spolen.

Att lära sig använda dessa ekvationer (och sådana som dem) är det viktigaste du måste göra när du beräknar ett magnetfält eller den resulterande magnetiska kraften, så ett exempel på var och en hjälper dig att hantera den typ av problem du troligen kommer att uppleva råkar ut för.

För en lång rak kabel som bär en 5-ampere-ström (dvs. I = 5 A), vad är magnetfältets styrka 0,5 m från ledningen?

Att använda den första ekvationen med I = 5 A och r = 0,5 m ger:

Nu för en strömslinga som bär I = 10 A och med en radie av r = 0,2 m, vad är magnetfältet i mitten av slingan? Den andra ekvationen ger:

Slutligen, för en solenoid med N = 15 varv i en längd av L = 0,1 m, som bär en ström av 4 A, vad är magnetfältets styrka i mitten?

Den tredje ekvationen ger:

Andra exempel på magnetfältberäkningar kan fungera lite annorlunda - till exempel att berätta fältet i mitten av a solenoid och strömmen, men ber om N / L-förhållandet - men så länge du är bekant med ekvationerna har du inga problem svara på dem.