Як працюють магнітні поля?

•••Саєд Хуссейн Атер

​Магнітні поляопишіть, як магнітна сила розподіляється у просторі навколо предметів. Як правило, для об’єкта, який є магнітним, лінії магнітного поля рухаються від північного полюса об’єкта до південного полюса, як і для магнітного поля Землі, як показано на схемі вище.

Та сама магнітна сила, яка змушує предмети прилипати до поверхонь холодильника, використовується в магнітному полі Землі, що захищає озоновий шар від шкідливого сонячного вітру. Магнітне поле утворює пакети енергії, які перешкоджають озоновому шару втрачати вуглекислий газ.

Ви можете спостерігати це, заливаючи залізні стружки, невеликі порошкоподібні шматочки заліза, в присутності магніту. Покладіть магніт під аркуш паперу або легкий аркуш тканини. Налийте залізну стружку і спостерігайте за формами та формами, які вони приймають. Визначте, які лінії поля мали б існувати, щоб стружки влаштовувались і розподілялись таким чином відповідно до фізики магнітних полів.

Чим більша щільність ліній магнітного поля, проведених з півночі на південь, тим більша величина магнітного поля. Ці північний та південний полюси також диктують, чи будуть магнітні об'єкти привабливими (між північним та південним полюсами) чи відштовхувальними (між однаковими полюсами). Магнітні поля вимірюються в одиницях Тесла,

Оскільки магнітні поля утворюються щоразу, коли заряди в русі, магнітні поля індукуються від електричного струму через дроти. Поле дає вам спосіб описати потенційну силу та напрямок магнітної сили залежно від струму через електричний провід та відстані, яку проходить струм. Лінії магнітного поля утворюють концентричні кола навколо проводів. Напрямок цих полів можна визначити за допомогою "правильного правила".

Це правило говорить вам, що якщо ви розміщуєте великий палець правої руки у напрямку електричного струму через дріт, то результуючі магнітні поля знаходяться у напрямку, як пальці вашої руки згортаються. При більшому струмі індукується більше магнітного поля.

Ви можете використовувати різні прикладиправило правої руки, загальне правило для визначення напрямку різних величин, що включають магнітне поле, магнітну силу та струм. Це емпіричне правило є корисним для багатьох випадків електрики та магнетизму, як це продиктовано математикою величин.

•••Саєд Хуссейн Атер

Це праве правило може бути застосовано і в іншому напрямку для магнітусоленоїд, або серія електричного струму, обмотана дротами навколо магніту. Якщо направити великий палець правої руки у напрямку магнітного поля, то пальці правої руки обернуться в напрямку електричного струму. Соленоїди дозволяють використовувати потужність магнітного поля за допомогою електричних струмів.

•••Саєд Хуссейн Атер

Коли електричний заряд рухається, магнітне поле генерується, коли електрони, які обертаються і рухаються, самі стають магнітними об’єктами. Елементи, у яких в основному стані є неспарені електрони, такі як залізо, кобальт і нікель, можна вирівняти таким чином, щоб вони утворювали постійні магніти. Магнітне поле, яке створюється електронами цих елементів, пропускає через них електричний струм легше. Самі магнітні поля також можуть відміняти одне одне, якщо вони рівні за величиною в протилежних напрямках.

Струм, що протікає через акумуляторЯвіддає магнітне полеBв радіусірза рівнянням дляЗакон Ампера​:

деμ​₀ - магнітна константа вакуумної проникності,1,26 х 10^-6 В / м("Генрі на метр", де Генрі є одиницею індуктивності). Збільшення струму та наближення до дроту одночасно збільшують магнітне поле, яке виникає.

Щоб об’єкт магнітний, електрони, що складають об’єкт, повинні мати можливість вільно переміщатися навколо та між атомами об’єкта. Для того, щоб матеріал був магнітним, ідеальними кандидатами є атоми з неспареними електронами того самого спіна, оскільки ці атоми можуть спарюватися між собою, щоб електрони могли вільно текти. Випробування матеріалів у присутності магнітних полів та вивчення магнітних властивостей атомів, що утворюють ці матеріали, може розповісти вам про їх магнетизм.

​Феромагнетикимають цю властивість, що вони постійно магнітні.Парамагнетикинавпаки, не буде проявляти магнітних властивостей, якщо лише в присутності магнітного поля не вирівняти спіни електронів, щоб вони могли вільно рухатися.Діамагнетикимають такі атомні склади, що на них взагалі не впливають магнітні поля або на них дуже мало впливають магнітні поля. У них немає або мало неспарених електронів, щоб пропускати заряди.

Парамагніти працюють, тому що вони виготовлені з матеріалів, які завжди ємагнітні моменти, відомі як диполі. Ці моменти - це їх здатність вирівнюватися із зовнішнім магнітним полем завдяки спіну неспарених електронів на орбіталях атомів, що утворюють ці матеріали. За наявності магнітного поля матеріали вирівнюються, щоб протистояти силі магнітного поля. До парамагнітних елементів належать магній, молібден, літій і тантал.

У феромагнітному матеріалі диполь атомів постійний, як правило, в результаті нагрівання та охолодження парамагнітного матеріалу. Це робить їх ідеальними кандидатами для електромагнітів, двигунів, генераторів та трансформаторів для використання в електричних приладах. Навпаки, діамагнетики можуть створювати силу, яка дозволяє електронам вільно протікати у формі струму, що створює магнітне поле, протилежне до будь-якого магнітного поля, прикладеного до них. Це виключає магнітне поле і не дає їм стати магнітними.

Магнітні поля визначають спосіб розподілу магнітних сил у присутності магнітного матеріалу. Хоча електричні поля описують електричну силу в присутності електрона, магнітні поля не мають такої аналогічної частинки, на якій можна було б описати магнітну силу. Вчені висунули теорію, що може існувати магнітний монополь, але не було експериментальних доказів того, що ці частинки існують. Якби вони існували, ці частинки мали б магнітний "заряд" приблизно так само, як заряджені частинки мають електричні заряди.

Магнітна сила виникає внаслідок електромагнітної сили, сили, яка описує як електричні, так і магнітні компоненти частинок і предметів. Це показує, як властивий магнетизм таким же явищам електрики, як струм та електричне поле. Заряд електрона - це те, що змушує магнітне поле відхиляти його через магнітну силу приблизно так само, як це роблять електричне поле та електрична сила.

Поки лише рухомі заряджені частинки віддають магнітні поля, а всі заряджені частки віддають електричні поля, магнітні та електромагнітні поля є частиною тієї ж основної сили електромагнетизм. Електромагнітна сила діє між усіма зарядженими частинками у Всесвіті. Електромагнітна сила набуває форми повсякденних явищ в електриці та магнетизмі, таких як статична електрика та електрично заряджені зв’язки, які утримують молекули разом.

Ця сила поряд з хімічними реакціями також є основою для електрорушійної сили, яка пропускає струм через ланцюги. Коли магнітне поле розглядається переплетене з електричним полем, отриманий продукт відомий як електромагнітне поле.

Рівняння сили Лоренца​

описує силу на заряджену частинкуqрухається зі швидкістюvза наявності електричного поляЕі магнітне полеB. У цьому рівнянніхміжqvіBявляє собою перехресний продукт. Перший термінqEє внеском електричного поля в силу, а другий доданокqv x B- внесок магнітного поля.

Рівняння Лоренца також повідомляє вам, що магнітна сила між швидкістю зарядуvі магнітне полеBєqvbsinϕза платуqдеϕ("фі") - кут міжvіB, яка повинна бути менше 180градусів. Якщо кут міжvіBбільше, тоді вам слід скористатися кутом у протилежному напрямку, щоб це виправити (з визначення перехресного добутку). Якщоϕдорівнює 0, так як в, швидкість і точка магнітного поля в одному напрямку, магнітна сила буде дорівнювати 0. Частинка буде продовжувати рухатися, не відхиляючись від магнітного поля.

•••Саєд Хуссейн Атер

На діаграмі вище перехресний добуток між двома векторамиаіbєc. Зверніть увагу на напрямок і величинуc. Це в напрямку, перпендикулярному доаіbколи це дано правилом правої руки. Правило правої руки означає, що напрямок результуючого перехресного продуктуcвизначається напрямком великого пальця, коли правий вказівний палець знаходиться у напрямкуbа правий середній палець - у напрямкуа​.

Перехресний добуток - це векторна операція, результатом якої є вектор, перпендикулярний до обохqvіBзадається правилом правого боку трьох векторів і з величиною площі паралелограма, що векториqvіBпроліт. Правило правої руки означає, що ви можете визначити напрямок поперечного продукту між нимиqvіBрозташувавши правий вказівний палець у напрямкуB, середній палець у напрямкуqv, а результуючий напрямок вашого великого пальця буде напрямом поперечного продукту цих двох векторів.

•••Саєд Хуссейн Атер

На діаграмі вище правило правиці також демонструє взаємозв'язок між магнітним полем, магнітною силою та струмом через дріт. Це також показує, що поперечний добуток між цими трьома величинами може представляти правобічне правило, оскільки поперечний добуток між напрямком сили та полем дорівнює напрямку струму.

У МРТ, магнітно-резонансної томографії використовують магнітні поля приблизно від 0,2 до 0,3 тесла. МРТ - це метод, який лікарі використовують для вивчення внутрішніх структур в організмі пацієнта, таких як мозок, суглоби та м’язи. Як правило, це робиться шляхом розміщення пацієнта в сильному магнітному полі, щоб поле проходило вздовж осі тіла. Якщо ви уявляєте, що пацієнт був магнітним соленоїдом, електричні струми будуть обертатися навколо його тіла та тіла магнітне поле було б спрямоване у вертикальному напрямку відносно тіла, як диктує права рука правило.

Потім вчені та лікарі вивчають способи відхилення протонів від їх нормального вирівнювання для вивчення структур у тілі пацієнта. Завдяки цьому лікарі можуть встановлювати безпечні, неінвазивні діагнози різних станів.

Людина не відчуває магнітного поля під час процесу, але, оскільки води так багато в людському тілі ядра водню (які є протонами) вирівнюються завдяки магнітному поле. МРТ-сканер використовує магнітне поле, з якого протони поглинають енергію, і, коли магнітне поле вимкнено, протони повертаються у свої нормальні положення. Потім пристрій відстежує цю зміну положення, щоб визначити, як вирівняні протони, і створити зображення всередині тіла пацієнта.