Magnetfelt: Definition, årsager, formel, enheder og måling (m /eksempler)

Felter er rundt omkring os. Uanset om det er gravitationsfeltet forårsaget af jordens masse eller de elektriske felter skabt af ladede partikler som elektroner, der er usynlige felter overalt, der repræsenterer potentialer og usete kræfter, der er i stand til at bevæge genstande med passende egenskaber.

For eksempel, et elektrisk felt i et område betyder, at en ladet genstand kan afbøjes fra sin oprindelige sti, når den kommer ind i området, og tyngningsfeltet på grund af Jordens masse holder dig fast på jordoverfladen, medmindre du gør noget arbejde for at overvinde det påvirkning.

Magnetiske felter er årsagen til magnetiske kræfter, og genstande, der udøver magnetiske kræfter på andre objekter, gør det ved at oprette et magnetfelt. Magnetiske felter kan detekteres ved afbøjning af kompasnåle, der er på linje med feltlinjer (den magnetiske nord for nålen, der peger mod magnetisk syd). Hvis du studerer elektricitet og magnetisme, er det at lære mere om magnetiske felter og den magnetiske kraft et afgørende skridt på din rejse.
Hvad er et magnetfelt?

I fysik generelt er felter vektorer med værdier i hvert område i rummet, der fortæller dig, hvor stærk eller svag en effekt er på det tidspunkt, og effekten af effekten. For eksempel skaber et objekt med masse, ligesom solen, et gravitationsfelt, og andre objekter med masse, der kommer ind i dette felt, påvirkes af en kraft som et resultat. Sådan holder solens tyngdekraft jorden i kredsløb omkring den.

Længere ude i solsystemet, såsom i området Uranus 'bane, gælder den samme kraft, men styrken er meget nederste. Det er altid rettet direkte mod solen; hvis du forestiller dig en samling af pile, der omgiver solen, og alle peger mod den, men med længere længder i tæt afstand (stærkere kraft) og mindre længder på lange afstande (svagere kraft), har du dybest set forestillet dig tyngdefeltet i solsystemet.

På samme måde som dette skaber genstande med ladning elektriske felter, og bevægelige ladninger genererer magnetiske felter
, hvilket kan give anledning til en magnetisk kraft i et nærliggende ladet objekt eller andre magnetiske materialer .

Disse felter er lidt mere komplicerede med hensyn til form end gravitationsfelter, da de har løbende magnetfeltlinjer, der kommer ud fra den positive (eller nordpolen) og slutter ved den negative (eller sydpolen) , men de udfylder den samme grundlæggende rolle. De er som kraftlinjer, der fortæller dig, hvordan et objekt, der er placeret i et sted, vil opføre sig. Du kan tydeligt visualisere dette ved hjælp af jernfilinger, som vil være på linje med det ydre magnetfelt.

Magnetiske felter er altid dipolfelter, så der er ingen magnetiske monopoler. Generelt er magnetfelter repræsenteret med bogstavet B
, men hvis et magnetfelt passerer gennem et magnetisk materiale, kan dette blive polariseret og generere sit eget magnetfelt. Dette andet felt bidrager til det første felt, og kombinationen af de to omtales med bogstavet H
, hvor H \u003d B /μ _{m, og μ m \u003d K m μ 0, med μ 0 \u003d 4π × 10 ^{- 7 H /m (dvs. den magnetiske permeabilitet af frit rum) og K m er den relative permeabilitet af det pågældende materiale.}}

Mængden af magnetfelt, der passerer gennem et givet område, kaldes magnetisk flux. Magnetisk fluxdensitet er relateret til lokal feltstyrke. Da magnetfelter altid er dipolare, er den magnetiske magnetflux gennem en lukket overflade 0. (Eventuelle feltlinjer, der forlader overfladen, skal nødvendigvis ind i den igen og annulleres.)
Enheder og måling -

SI-enheden for magnetfeltstyrken er tesla (T), hvor:

1 tesla \u003d 1 T \u003d 1 kg /A s ^{2 \u003d 1 V s /m 2 \u003d 1 N /A m}

En anden meget brugt enhed til magnetfeltstyrke er gauss (G), hvor:

1 gauss \u003d 1 G \u003d 10 ^{- 4 T}

Teslaen er en ganske stor enhed, så i mange praktiske situationer er gauss et mere nyttigt valg - for eksempel vil en køleskabsmagnet have en styrke på ca. 100 G, mens Jordens magnetfelt på jordoverfladen er ca. 0.5 G.
Årsager til magnetfelter

Elektricitet og magnetisme er grundlæggende sammenflettet, fordi magnetiske felter genereres ved at bevæge ladning (som elektriske strømme) eller skifte af elektriske felter, mens et skiftende magnetfelt genererer et elektrisk felt.

I en stangmagnet eller et lignende magnetisk objekt resulterer magnetfeltet i, at adskillige magnetiske "domæner" bliver på linje, hvilket igen skabes af bevægelsen af de ladede elektroner rundt om atomernes kerner. Disse bevægelser producerer små magnetiske felter inden for et domæne. I de fleste materialer vil domæner have tilfældig justering og annullere hinanden, men i nogle materialer bliver magnetfelterne i tilstødende domæner justeret, og dette frembringer magnetisme i større skala.

Jordens magnetiske felt genereres også ved at flytte ladning, men i dette tilfælde er det bevægelsen af det smeltede lag, der omgiver jordens kerne, der skaber magnetfeltet. Dette forklares med dynamo teori
, der beskriver hvordan en roterende, elektrisk ladet væske genererer et magnetfelt. Jordens ydre kerne indeholder konstant bevægende flydende jern, med elektroner, der bevæger sig gennem væsken og genererer magnetfeltet.

Solen har også et magnetfelt, og forklaringen på, hvordan dette fungerer, er meget ens. Imidlertid fører de forskellige rotationshastigheder for forskellige dele af solen (dvs. det væskelignende materiale på forskellige breddegrader) til, at feltlinierne bliver sammenfiltrede over tid såvel som mange fænomener, der er forbundet med solen, f.eks. og den ca. 11-årige solcyklus. Solen har to poler, ligesom en stangmagnet, men bevægelserne fra solens plasma og den gradvis stigende solaktivitet får magnetpolerne til at vende hvert 11. år.
Magnetfeltformler

Magnetfelterne på grund af forskellige arrangementer for flytning af ladning skal afledes individuelt, men der er mange standardformler, du kan bruge, så du ikke har "genopfinder hjulet" hver gang. Du kan udlede formler til stort set ethvert arrangement med flytning af ladning ved hjælp af Biot-Savart-loven eller Ampere-Maxwell-loven. Imidlertid er de resulterende formler til enkle arrangementer af elektrisk strøm så ofte brugt og citeret, at du simpelthen kan behandle dem som "standardformler" snarere end at aflede dem fra loven Biot-Savart eller Ampere-Maxwell hver gang.

Magnetfeltet for en lige linie bestemmes ud fra Ampere's lov (en enklere form for Ampere-Maxwell-loven) som:
B \u003d \\ frac {μ_0 I} {2 π r}

Hvor μ
_{0 er som defineret tidligere, I
er strømmen i ampere og r
er afstanden fra ledningen, du måler magnetfeltet.}

Magnetfeltet i midten af en strømsløjfe er givet af:
B \u003d \\ frac {μ_0 I} {2 R}

Hvor R
er radius for løkken , og de andre symboler er som defineret tidligere.

Endelig er magnetfeltet for en magnet magnet angivet af:
B \u003d μ_0 \\ frac {N} {L} I

Hvor N
er antallet af drejninger, og L
er længden på magnetventilen. En magnet magnetfelt koncentreres stort set i midten af spolen.
Eksempel Beregninger

At lære at bruge disse ligninger (og ligesom dem) er det vigtigste, du skal gøre, når du beregner et magnetfelt eller den resulterende magnetiske kraft, så et eksempel på hver vil hjælpe dig med at tackle den slags problemer, du sandsynligvis vil støde på.

For en lang lige ledning, der bærer en 5-ampere strøm, (dvs. I \u003d 5 A), hvad er magnetfeltstyrken 0,5 m væk fra ledningen?

Brug af den første ligning med I \u003d 5 A og r \u003d 0,5 m giver:
\\ begynde {justert} B & \u003d \\ frac {μ_0 I} {2 π r} \\\\ & \u003d \\ frac {4π × 10 ^ {- 7} \\ text {H /m} × 5 \\ text {A}} {2π × 0.5 \\ text { m}} \\\\ & \u003d 2 × 10 ^ {- 6} \\ tekst {T} \\ ende {justeret}

Nu for en strømsløjfe, der bærer I \u003d 10 A og med en radius på r \u003d 0,2 m, hvad er magnetfeltet i midten af løkken? Den anden ligning giver:
\\ begynde {justeret} B & \u003d \\ frac {μ_0 I} {2R} \\\\ & \u003d \\ frac {4π × 10 ^ {- 7} \\ tekst {H /m} × 10 \\ tekst {A}} {2 × 0.2 \\ text {m}} \\\\ & \u003d 3,14 × 10 ^ {- 5} \\ tekst {T} \\ ende {rettet}

Til sidst for en solenoide med N \u003d 15 omdrejninger i en længde på L \u003d 0,1 m, med en strøm på 4 A, hvad er magnetfeltstyrken i midten?

Den tredje ligning giver:
\\ begynde {justert} B & \u003d μ_0 \\ frac {N} {L} I \\\\ & \u003d 4π × 10 ^ {- 7} \\ tekst {H /m} × \\ frac {15 \\ text {omgange}} {0,1 \\ tekst {m}} × 4 \\ tekst {A} \\\\ & \u003d 7,54 × 10 ^ {- 4} \\ tekst {T} \\ ende {justeret}

Andre eksempler på magnetfeltberegninger fungerer muligvis lidt anderledes - for eksempel fortæller du feltet i midten af en magnetventil og strømmen, men beder om N /L-forholdet - men så længe du er bekendt med ligningerne, har du ikke problemer med at besvare dem.