Hur fungerar magnetfält?

Innehåll

• Magnetiska fältvetenskap
• Hur bestämmer du magnetfält?
• Typer av magneter
• Magnetisk kraft
• Magnetiska fält och elektriska fält
• Korsprodukt av magnetfält
• Magnetfält i vardagen

••• Syed Hussain Ather

Magnetiska fält beskriv hur magnetkraften fördelas genom rymden runt föremål. I allmänhet, för ett objekt som är magnetiskt, reser magnetfältlinjerna från objekten norrpolen till sydpolen, precis som de gör för jordens magnetfält, som visas i diagrammet ovan.

Samma magnetiska kraft som får föremål att hålla sig fast på kylskåpytor används i jordens magnetfält som skyddar ozonskiktet från skadlig solvind. Magnetfältet bildar energipaket som förhindrar att ozonskiktet tappar koldioxid.

Du kan observera detta genom att hälla järnfilningar, små pulverliknande järnstycken, i närvaro av en magnet. Placera en magnet under ett papper eller ett litet tygduk. Häll järnfilterna och observera de former och formationer som de tar. Bestäm vilka fältlinjer som skulle behöva för att få anmälningarna att ordna och distribuera sig så här enligt magnetfältets fysik.

Ju större densitet för 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 avvisande (mellan identiska poler). Magnetfält mäts i enheter av Tesla, T.

Magnetiska fältvetenskap

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

Denna regel säger att om du placerar din högra tumme i riktning av elektrisk ström genom en tråd, är de resulterande magnetfälten i riktningen för hur dina händer fingrar krulla. Med större ström induceras större magnetfält.

Hur bestämmer du magnetfält?

Du kan använda olika exempel på högerregel, en allmän regel för att bestämma riktningen för olika kvantiteter som involverar magnetfält, magnetisk kraft och ström. Denna tumregel är användbar för många fall i elektricitet och magnetism som dikteras av matematiken för mängderna.

••• Syed Hussain Ather

Denna högra regel kan också tillämpas i den andra riktningen för en magnet solenoideller en serie elektrisk ström lindad i trådar runt en magnet. Om du pekar din högra tumme i magnetfältets riktning, kommer dina högra fingrar att vika runt i elektrisk strömriktning. Solenoider låter dig 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 magnetiska föremål själva. Element som har oparade elektroner i sina marktillstånd som järn, kobolt och nickel kan inriktas så att de bildar permanentmagneter. Det magnetiska fältet som produceras av elektronerna från dessa element låter elektrisk ström flyta genom dessa element lättare. Magnetfält själva kan också avbryta varandra om de är lika stora i motsatta riktningar.

Ström som flyter genom ett batteri jag avger ett magnetfält B vid radie r enligt ekvationen för Ampères lag: B = 2πr μ_{0 ​}jag var μ₀ är den magnetiska konstanten för vakuumpermeabilitet, 1,26 x 10^-6 H / m ("Henries per meter" där Henries är induktansenheten). Genom att öka strömmen och komma närmare tråden ökar båda magnetfältet som resulterar.

Typer av magneter

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

Ferromagnets har den här egenskapen att de är permanent magnetiska. Paramagnets, däremot, kommer inte att visa magnetiska egenskaper såvida inte i närvaro av ett magnetfält för att fodra elektronernas snurr så att de kan röra sig fritt. Diamagnets har atomkompositioner så att de inte påverkas av magnetfält alls eller endast påverkas mycket lite av magnetfält. De har inga eller få oparade elektroner för att låta laddningar flyta igenom.

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

Inom ett ferromagnetiskt material är atomernas dipol permanent, vanligtvis till följd av uppvärmning och kylning av paramagnetiskt material. Detta gör dem till ideala kandidater för elektromagneter, motorer, generatorer och transformatorer för användning i elektriska apparater. Däremot kan diamagneter producera en kraft som låter elektroner flyta fritt i form av ström som sedan skapar ett magnetfält motsatt alla magnetfält som appliceras på dem. Detta avbryter magnetfältet och hindrar dem från att bli magnetiska.

Magnetisk kraft

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 att beskriva magnetisk kraft på. Forskare har teoretiserat att en magnetisk monopol kan existera, men det har inte funnits några experimentella bevis som visar att dessa partiklar finns. Om de skulle existera skulle dessa partiklar ha en magnetisk "laddning" ungefär på samma sätt som laddade partiklar har elektriska laddningar.

Magnetkraften resulterar på grund av den elektromagnetiska kraften, kraften som beskriver både elektriska och magnetiska komponenter av 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 ungefär på samma sätt som elektriskt fält och elektrisk kraft gör.

Magnetiska fält och elektriska fält

Medan endast rörliga laddade partiklar avger magnetfält, och alla laddade partiklar avger elektriska fält, är magnetiska och elektromagnetiska fält en del av samma grundläggande kraft av elektromagnetism. Den elektromagnetiska kraften verkar mellan alla laddade partiklar i universum. Den elektromagnetiska kraften har form 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 flyta genom kretsar. När ett magnetfält ses sammanflätat med ett elektriskt fält är den resulterande produkten känd som ett elektromagnetiskt fält.

De Lorentz kraftekvation F = qE + qv × B beskriver kraften på en laddad partikel q rör sig med hastighet v i närvaro av ett elektriskt fält E och magnetfält B. I denna ekvation x mellan qv och B representerar korsprodukten. Den första terminen qE är bidraget från det elektriska fältet till kraften och den andra terminen qv x B är magnetfältets bidrag.

Lorentz-ekvationen berättar också att den magnetiska kraften mellan laddningshastigheten v och magnetfältet B är qvbsinφ mot en avgift q var ϕ ("phi") är vinkeln mellan v och B, som måste vara mindre än 1_80_ grader. Om vinkeln mellan v och B är större, bör du använda vinkeln i motsatt riktning för att fixa detta (från definitionen av en korsprodukt). Om _ϕ_is 0, som i, hastighet och magnetfält pekar i samma riktning, blir magnetkraften 0. Partikeln fortsätter att röra sig utan att avböjas av magnetfältet.

Korsprodukt av magnetfält

••• Syed Hussain Ather

I diagrammet ovan är korsprodukten mellan två vektorer en och b är c. Notera riktningen och storleken på c. Det är i riktningen vinkelrätt mot en och b när det ges av högerregeln. Den högra regeln innebär att riktningen för den resulterande tvärprodukten c ges av tumriktningen när höger pekfingret är i riktning b och din högra långfinger är i riktning mot en.

Korsprodukten är en vektoroperation som resulterar i vektorn vinkelrätt mot båda qv och B ges av högerregeln för de tre vektorerna och med storleken på det parallellogrammade området som vektorerna qv och B spänna. Den högra regeln betyder att du kan bestämma riktningen för tvärprodukten mellan qv och B genom att placera höger pekfinger i riktning mot B, långfingret i riktning mot qv, och den resulterande tumriktningen 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 att korsprodukten mellan dessa tre kvantiteter kan representera den högra regeln då korsprodukten mellan kraftsriktningen och fältet är lika med strömriktningen.

Magnetfält i vardagen

Magnetfält på omkring 0,2 till 0,3 tesla används vid MR, magnetisk resonansavbildning. MRT är en metod som läkare använder för att studera inre strukturer i en patientkropp 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 magnetventil, skulle de elektriska strömmarna lindas runt hans eller hennes kropp och magnetfältet skulle riktas i vertikal riktning med avseende på kroppen, vilket dikteras av högerregeln.

Forskare och läkare studerar sedan hur protoner avviker från deras normala anpassning för att studera strukturerna i en patientkropp. 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 den mänskliga kroppen, vätskekärnorna (som är protoner) anpassar sig på grund av magnetfältet.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 förändring i position för att bestämma hur protonerna är inriktade och skapar en bild av patientens kropp.