Hur fungerar magnetfält?

•••Syed Hussain Ather

​Magnetiska fältbeskriva hur magnetkraften fördelas genom rymden runt föremål. Generellt, för ett objekt som är magnetiskt, rör sig magnetfältlinjerna från objektets nordpol till sydpolen, precis som de gör för jordens magnetfält, som visas i diagrammet ovan.

Samma magnetkraft som gör att föremål fastnar på kylskåpets ytor används i jordens magnetfält som skyddar ozonskiktet från skadlig solvind. Magnetfältet bildar energipaket som hindrar ozonskiktet från att förlora koldioxid.

Du kan observera detta genom att hälla järnspåner, små pulverliknande bitar av järn, i närvaro av en magnet. Placera en magnet under ett papper eller ett lätt tygark. Häll järnspännen och observera de former och formationer som de tar. Bestäm vilka fältlinjer det måste vara för att få filerna att ordna och fördela sig så här enligt magnetfältets fysik.

Ju större densiteten hos magnetfältlinjerna dras från norr till söder, desto större är magnetfältets storlek. Dessa nord- och sydpoler dikterar också om magnetiska föremål är attraktiva (mellan nord- och sydpoler) eller frånstötande (mellan identiska poler). Magnetfält mäts i enheter av Tesla,

Eftersom magnetfält bildas när laddningar rör sig, induceras magnetfält från elektrisk ström genom ledningar. Fältet ger dig ett sätt att beskriva den magnetiska kraftens potentiella styrka och riktning beroende på strömmen genom en elektrisk ledning och avståndet som strömmen färdas. Magnetfältlinjer bildar koncentriska cirklar runt ledningar. Riktningen för dessa fält kan bestämmas via "högerregeln".

Denna regel talar om för dig att om du placerar din högra tumme i riktning mot elektrisk ström genom en tråd så är de resulterande magnetfälten i riktning mot hur din hands fingrar böjer sig. Med större ström induceras större magnetfält.

Du kan använda olika exempel påhögerregel, en allmän regel för att bestämma riktningen för olika storheter som involverar magnetfält, magnetisk kraft och ström. Denna tumregel är användbar i många fall inom elektricitet och magnetism som dikteras av mängden matematik.

•••Syed Hussain Ather

Denna högra regel kan också tillämpas i en annan riktning för en magnetsolenoid, eller en serie av elektrisk ström inslagen i ledningar runt en magnet. Om du pekar din högra tumme i magnetfältets riktning, kommer dina högra fingrar att lindas runt i riktning mot elektrisk ström. Med solenoider kan du utnyttja magnetfältets kraft genom elektriska strömmar.

•••Syed Hussain Ather

När en elektrisk laddning rör sig genereras magnetfältet när elektronerna som snurrar och rör sig blir själva magnetiska föremål. Element som har oparade elektroner i sina jordtillstånd som järn, kobolt och nickel kan justeras så att de bildar permanentmagneter. Magnetfältet som produceras av elektronerna i dessa element låter elektrisk ström lättare flöda genom dessa element. Magnetfält i sig kan också ta bort varandra om de är lika stora i motsatta riktningar.

Ström som flyter genom ett batteriJagavger ett magnetfältBvid radierenligt ekvationen förAmpères lag​:

varμ​₀ är den magnetiska konstanten för vakuumpermeabilitet,1,26 x 10^-6 H / m("Henries per meter" där Henries är induktansenheten). Att öka strömmen och komma närmare ledningen ökar båda magnetfältet som blir resultatet.

För att ett objekt ska vara magnetiskt måste elektronerna som utgör objektet kunna röra sig fritt runt och mellan atomer i objektet. För att ett material ska vara magnetiskt är atomer med oparade elektroner av samma snurr idealiska kandidater eftersom dessa atomer kan para ihop varandra för att låta elektroner flöda fritt. Att testa material i närvaro av magnetfält och undersöka de magnetiska egenskaperna hos atomerna som gör dessa material kan berätta om deras magnetism.

​Ferromagneterhar den här egenskapen att de är permanent magnetiska.Paramagneterdäremot kommer inte att visa magnetiska egenskaper om inte i närvaro av ett magnetfält för att rada upp elektronernas snurr så att de kan röra sig fritt.Diamagneterhar atomsammansättningar så att de inte alls påverkas av magnetfält eller bara påverkas mycket lite av magnetfält. De har inga eller få oparade elektroner för att låta laddningar flöda igenom.

Paramagneter fungerar eftersom de är gjorda av material som alltid harmagnetiska ögonblick, känd som dipoler. Dessa ögonblick är deras förmåga att anpassa sig till ett externt magnetfält på grund av snurrning av oparade elektroner i atomernas orbitaler som gör dessa material. I närvaro av ett magnetfält inriktas materialen för att motverka magnetfältets kraft. Paramagnetiska element inkluderar magnesium, molybden, litium och tantal.

Inom ett ferromagnetiskt material är atomernas dipol permanent, vanligtvis som ett resultat av uppvärmning och kylning av paramagnetiskt material. Detta gör dem till idealiska kandidater för elektromagneter, motorer, generatorer och transformatorer för användning i elektriska apparater. Diamagneter kan däremot producera en kraft som låter elektroner flöda fritt i form av ström som sedan skapar ett magnetfält mittemot vilket magnetfält som appliceras på dem. Detta avbryter magnetfältet och förhindrar att de blir magnetiska.

Magnetfält bestämmer hur magnetiska krafter kan fördelas i närvaro av magnetiskt material. Medan elektriska fält beskriver den elektriska kraften i närvaro av en elektron, har magnetfält ingen sådan analog partikel som magnetisk kraft kan beskrivas på. Forskare har teoretiserat att en magnetisk monopol kan finnas, men det har inte funnits experimentella bevis som visar att dessa partiklar existerar. Om de skulle existera skulle dessa partiklar ha en magnetisk "laddning" på ungefär samma sätt som laddade partiklar har elektriska laddningar.

Magnetisk kraft uppstår på grund av den elektromagnetiska kraften, den kraft som beskriver både elektriska och magnetiska komponenter i partiklar och föremål. Detta visar hur inneboende magnetism är för samma fenomen av elektricitet som ström och elektriskt fält. Laddningen av en elektron är det som får magnetfältet att avböja det genom magnetisk kraft på samma sätt som elektriskt fält och elektrisk kraft gör.

Medan endast rörliga laddade partiklar avger magnetfält, och alla laddade partiklar avger elektriska fält, magnetiska och elektromagnetiska fält är en del av samma grundläggande kraft av elektromagnetism. Den elektromagnetiska kraften verkar mellan alla laddade partiklar i universum. Den elektromagnetiska kraften tar formen av vardagliga fenomen i elektricitet och magnetism, såsom statisk elektricitet och de elektriskt laddade bindningarna som håller molekyler ihop.

Denna kraft tillsammans med kemiska reaktioner utgör också grunden för den elektromotoriska kraften som låter ström strömma genom kretsar. När ett magnetfält ses sammanflätat med ett elektriskt fält är den resulterande produkten känd som ett elektromagnetiskt fält.

DeLorentz kraftekvation​

beskriver kraften på en laddad partikelqrör sig med hastighetvi närvaro av ett elektriskt fältEoch magnetfältB. I denna ekvation ärxmellanqvochBrepresenterar tvärprodukten. Den första terminenqEär det elektriska fältets bidrag till kraften och den andra termenqv x Bär magnetfältets bidrag.

Lorentz-ekvationen berättar också för dig att den magnetiska kraften mellan laddningshastighetenvoch magnetfältetBärqvbsinϕmot en avgiftqvarϕ("phi") är vinkeln mellanvochB, som måste vara mindre än 180grader. Om vinkeln mellanvochBär större, då bör du använda vinkeln i motsatt riktning för att fixa detta (från definitionen av en tvärprodukt). Omϕär 0, som i, hastighet och magnetfält pekar i samma riktning, kommer magnetkraften att vara 0. Partikeln kommer att fortsätta att röra sig utan att avböjas av magnetfältet.

•••Syed Hussain Ather

I diagrammet ovan, tvärprodukten mellan två vektoreraochbärc. Notera riktningen och storleken påc. Det är i riktningen vinkelrätt motaochbnär den ges av högerhandregeln. Den högra regeln betyder att riktningen för den resulterande korsproduktencges av tummen när ditt högra pekfinger är i riktning motboch ditt högra långfinger är i riktning mota​.

Tvärprodukten är en vektoroperation som resulterar i vektorn vinkelrätt mot bådaqvochBges av högerregeln för de tre vektorerna och med storleken på arean av parallellogrammet som vektorernaqvochBspänna. Högerregeln betyder att du kan bestämma riktningen för tvärprodukten mellanqvochBgenom att placera ditt högra pekfinger i riktning motB, ditt långfinger i riktning motqv, och den resulterande tummen kommer att vara tvärproduktriktningen för dessa två vektorer.

•••Syed Hussain Ather

I diagrammet ovan visar högerregeln också förhållandet mellan magnetfält, magnetisk kraft och ström genom en tråd. Detta visar också korsprodukten mellan dessa tre kvantiteter kan representera den högra regeln eftersom korsprodukten mellan kraftens riktning och fältet är lika med strömens riktning.

Magnetfält på cirka 0,2 till 0,3 tesla används i MR, magnetisk resonanstomografi. MR är en metod som läkare använder för att studera interna strukturer i en patients kropp som hjärna, leder och muskler. Detta görs vanligtvis genom att placera patienten i ett starkt magnetfält så att fältet löper längs kroppens axel. Om du föreställer dig att patienten var en magnetisk solenoid skulle de elektriska strömmarna lindas runt hans eller hennes kropp och magnetfältet skulle riktas i vertikal riktning i förhållande till kroppen, som dikterats av höger hand regel.

Forskare och läkare studerar sedan hur protoner avviker från sin normala inriktning för att studera strukturerna i en patients kropp. Genom detta kan läkare göra säkra, icke-invasiva diagnoser av olika tillstånd.

Personen känner inte magnetfältet under processen, men eftersom det finns så mycket vatten i människokroppen inriktar sig vätekärnorna (som är protoner) på grund av det magnetiska fält. MR-skannern använder ett magnetfält som protonerna absorberar energi från, och när magnetfältet stängs av återgår protonerna till sina normala positioner. Enheten spårar sedan denna ändring i position för att bestämma hur protonerna är inriktade och skapa en bild av insidan av patientens kropp.