Περιεχόμενο
- Μαθηματικά πεδία
- Πώς προσδιορίζετε το μαγνητικό πεδίο;
- Τύποι μαγνητών
- Μαγνητική δύναμη
- Μαγνητικά πεδία και ηλεκτρικά πεδία
- Μαύρο Σταυροειδές Προϊόν
- Μαγνητικό πεδίο στην καθημερινή ζωή
••• Syed Hussain Ather
Μαγνητικά πεδία περιγράψτε πώς κατανέμεται η μαγνητική δύναμη μέσω του χώρου γύρω από τα αντικείμενα. Γενικά, για ένα αντικείμενο που είναι μαγνητικό, οι γραμμές μαγνητικού πεδίου μετακινούνται από τα αντικείμενα του βόρειου πόλου στον νότιο πόλο, όπως συμβαίνει για το γήινο μαγνητικό πεδίο, όπως φαίνεται στο παραπάνω διάγραμμα.
Η ίδια μαγνητική δύναμη που κάνει τα αντικείμενα κολλήσει στις επιφάνειες του ψυγείου χρησιμοποιούνται στο γήινο μαγνητικό πεδίο που προστατεύει τη στιβάδα του όζοντος από τον επιβλαβή ηλιακό άνεμο. Το μαγνητικό πεδίο σχηματίζει πακέτα ενέργειας που εμποδίζουν το στρώμα του όζοντος να χάσει το διοξείδιο του άνθρακα.
Μπορείτε να παρατηρήσετε αυτό με το να ρίχνετε ψίχουλα σιδήρου, μικρά κομμάτια σιδήρου σε σκόνη, παρουσία μαγνητικού. Τοποθετήστε έναν μαγνήτη κάτω από ένα κομμάτι χαρτί ή ένα ελαφρύ φύλλο υφάσματος. Ρίξτε τις ρινίσματα σιδήρου και παρατηρήστε τα σχήματα και τους σχηματισμούς που παίρνουν. Προσδιορίστε ποιες γραμμές πεδίου θα έπρεπε να είναι για να προκαλέσουν τις ρινίσματα να οργανώσουν και να διανεμηθούν όπως αυτή σύμφωνα με τη φυσική των μαγνητικών πεδίων.
Όσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα των γραμμών μαγνητικού πεδίου που προέρχονται από βορρά προς νότο, τόσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος του μαγνητικού πεδίου. Αυτοί οι βόρειοι και νότιοι πόλοι υπαγορεύουν επίσης αν τα μαγνητικά αντικείμενα είναι ελκυστικά (μεταξύ βόρειων και νότιων πόλων) ή απωθητικά (μεταξύ πανομοιότυπων πόλων). Τα μαγνητικά πεδία μετρώνται σε μονάδες Tesla, Τ.
Μαθηματικά πεδία
Επειδή τα μαγνητικά πεδία σχηματίζονται όποτε φορτίζονται τα φορτία, τα μαγνητικά πεδία προκαλούνται από το ηλεκτρικό ρεύμα μέσω των συρμάτων. Το πεδίο σας δίνει έναν τρόπο περιγραφής της πιθανής αντοχής και κατεύθυνσης μιας μαγνητικής δύναμης ανάλογα με το ρεύμα μέσω ενός ηλεκτρικού καλωδίου και την απόσταση που περνάει το ρεύμα. Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου σχηματίζουν ομόκεντρους κύκλους γύρω από τα καλώδια. Η κατεύθυνση αυτών των πεδίων μπορεί να προσδιοριστεί μέσω του "κανόνα δεξιάς πλευράς".
Αυτός ο κανόνας σας λέει ότι εάν τοποθετήσετε τον δεξί σας αντίχειρα προς την κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος μέσω ενός σύρματος, τα προκύπτοντα μαγνητικά πεδία είναι προς την κατεύθυνση του τρόπου με τον οποίο τα χείλη σας δαγκώνουν τα δάχτυλά σας. Με μεγαλύτερο ρεύμα, προκαλείται μεγαλύτερο μαγνητικό πεδίο.
Πώς προσδιορίζετε το μαγνητικό πεδίο;
Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε διαφορετικά παραδείγματα του δεξί κανόνα, ένας γενικός κανόνας για τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης διαφόρων ποσοτήτων που περιλαμβάνουν μαγνητικό πεδίο, μαγνητική δύναμη και ρεύμα. Αυτός ο κανόνας είναι χρήσιμος για πολλές περιπτώσεις στον τομέα της ηλεκτρικής ενέργειας και του μαγνητισμού, όπως υπαγορεύεται από τα μαθηματικά των ποσοτήτων.
••• Syed Hussain AtherΑυτός ο κανόνας δεξιού χεριού μπορεί επίσης να εφαρμοστεί προς την άλλη κατεύθυνση για μαγνητικό ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, ή μια σειρά από ηλεκτρικό ρεύμα τυλιγμένο σε σύρματα γύρω από έναν μαγνήτη. Αν δείξετε τον δεξί σας αντίχειρα προς την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου, τότε τα δάχτυλά σας με το δεξί χέρι θα περιτυλιχθούν προς την κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος. Τα ηλεκτρομαγνητικά σώματα σας επιτρέπουν να αξιοποιήσετε τη δύναμη του μαγνητικού πεδίου μέσω ηλεκτρικών ρευμάτων.
Όταν ένα ηλεκτρικό φορτίο ταξιδεύει, το μαγνητικό πεδίο παράγει καθώς τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται και κινούνται γύρω τους γίνονται μαγνητικά αντικείμενα. Τα στοιχεία που έχουν μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια στις καταστάσεις εδάφους τους όπως ο σίδηρος, το κοβάλτιο και το νικέλιο μπορούν να ευθυγραμμιστούν έτσι ώστε να σχηματίζουν μόνιμους μαγνήτες. Το μαγνητικό πεδίο που παράγεται από τα ηλεκτρόνια αυτών των στοιχείων αφήνει το ηλεκτρικό ρεύμα να ρέει μέσω αυτών των στοιχείων ευκολότερα. Τα ίδια τα μαγνητικά πεδία μπορούν επίσης να ακυρώσουν το ένα το άλλο εάν είναι ίσα σε μέγεθος σε αντίθετες κατευθύνσεις.
Το ρεύμα που ρέει μέσω μιας μπαταρίας Εγώ εκπέμπει ένα μαγνητικό πεδίο σι σε ακτίνα r σύμφωνα με την εξίσωση για Νόμος Ampères: Β = 2πρ μ0 Εγώ που μ0 είναι η μαγνητική σταθερά της διαπερατότητας κενού, 1,26 x 10-6 H / m ("Henries ανά μέτρο", όπου η Henries είναι η μονάδα επαγωγής). Η αύξηση του ρεύματος και η προσέγγιση του καλωδίου αυξάνουν το μαγνητικό πεδίο που προκύπτει.
Τύποι μαγνητών
Για να είναι ένα μαγνητικό αντικείμενο, τα ηλεκτρόνια που σχηματίζουν το αντικείμενο πρέπει να μπορούν να κινούνται ελεύθερα γύρω και μεταξύ των ατόμων του αντικειμένου. Για να είναι ένα μαγνητικό υλικό, τα άτομα με μη συζευγμένα ηλεκτρόνια της ίδιας περιστροφής είναι ιδανικοί υποψήφιοι, καθώς αυτά τα άτομα μπορούν να ζευγαρώνουν το ένα με το άλλο για να επιτρέπουν την ελεύθερη ροή των ηλεκτρονίων. Η δοκιμή υλικών με την παρουσία μαγνητικών πεδίων και η εξέταση των μαγνητικών ιδιοτήτων των ατόμων που παράγουν αυτά τα υλικά μπορούν να σας πουν για το μαγνητισμό τους.
Φερμαγνήτες έχουν αυτή την ιδιότητα ότι είναι μόνιμα μαγνητικά. Παραμαγνήτες, αντίθετα, δεν θα εμφανιστούν μαγνητικές ιδιότητες εκτός εάν παρουσία ενός μαγνητικού πεδίου για τη γραμμή των περιστροφών των ηλεκτρονίων επάνω έτσι ώστε να μπορούν να κινούνται ελεύθερα. Διαμάντες έχουν ατομικές συνθέσεις που δεν επηρεάζονται καθόλου από μαγνητικά πεδία ή επηρεάζονται ελάχιστα από μαγνητικά πεδία. Δεν έχουν καθόλου ή ελάχιστα μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια για να επιτρέψουν τη ροή των φορτίων.
Τα παραμαγνήτες λειτουργούν επειδή είναι κατασκευασμένα από υλικά που έχουν πάντα μαγνητικές στιγμές, γνωστά ως δίπολα. Αυτές οι στιγμές είναι η ικανότητά τους να ευθυγραμμιστούν με ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο λόγω της περιστροφής των μη συζευγμένων ηλεκτρονίων στις τροχιές των ατόμων που κατασκευάζουν αυτά τα υλικά. Με την παρουσία μαγνητικού πεδίου, τα υλικά ευθυγραμμίζονται ώστε να αντιτίθενται στη δύναμη του μαγνητικού πεδίου. Τα παραμαγνητικά στοιχεία περιλαμβάνουν το μαγνήσιο, το μολυβδαίνιο, το λίθιο και το ταντάλιο.
Μέσα σε ένα σιδηρομαγνητικό υλικό, το δίπολο των ατόμων είναι μόνιμο, συνήθως ως αποτέλεσμα της θέρμανσης και ψύξης του παραμαγνητικού υλικού. Αυτό τους καθιστά ιδανικούς υποψήφιους για ηλεκτρομαγνήτες, κινητήρες, γεννήτριες και μετασχηματιστές για χρήση σε ηλεκτρικές συσκευές. Τα διαμάντια, αντίθετα, μπορούν να παράγουν μια δύναμη που αφήνει τα ηλεκτρόνια να ρέουν ελεύθερα με τη μορφή ρεύματος που στη συνέχεια δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο απέναντι από οποιοδήποτε μαγνητικό πεδίο που εφαρμόζεται σε αυτά. Αυτό ακυρώνει το μαγνητικό πεδίο και τους εμποδίζει να γίνουν μαγνητικά.
Μαγνητική δύναμη
Τα μαγνητικά πεδία καθορίζουν τον τρόπο κατανομής των μαγνητικών δυνάμεων με την παρουσία μαγνητικού υλικού. Ενώ τα ηλεκτρικά πεδία περιγράφουν την ηλεκτρική δύναμη υπό την παρουσία ενός ηλεκτρονίου, τα μαγνητικά πεδία δεν έχουν τέτοιο ανάλογο σωματίδιο επάνω στο οποίο να περιγράφεται η μαγνητική δύναμη. Οι επιστήμονες έχουν θεωρήσει ότι μπορεί να υπάρχει ένα μαγνητικό μονοπώλιο, αλλά δεν υπήρξαν πειραματικά στοιχεία που να δείχνουν ότι αυτά τα σωματίδια υπάρχουν. Εάν υπήρχαν, αυτά τα σωματίδια θα είχαν ένα μαγνητικό "φορτίο" κατά τον ίδιο τρόπο που τα φορτισμένα σωματίδια έχουν ηλεκτρικά φορτία.
Τα αποτελέσματα μαγνητικής δύναμης οφείλονται στην ηλεκτρομαγνητική δύναμη, τη δύναμη που περιγράφει τόσο ηλεκτρικά όσο και μαγνητικά συστατικά σωματιδίων και αντικειμένων. Αυτό δείχνει πώς ο εγγενής μαγνητισμός είναι στα ίδια φαινόμενα ηλεκτρικής ενέργειας όπως το ρεύμα και το ηλεκτρικό πεδίο. Η φόρτιση ενός ηλεκτρονίου είναι αυτό που προκαλεί το μαγνητικό πεδίο να το εκτρέψει μέσω μαγνητικής δύναμης κατά τον ίδιο τρόπο που κάνει το ηλεκτρικό πεδίο και η ηλεκτρική δύναμη.
Μαγνητικά πεδία και ηλεκτρικά πεδία
Ενώ μόνο τα κινούμενα φορτισμένα σωματίδια δίνουν τα μαγνητικά πεδία και όλα τα φορτισμένα σωματίδια δίνουν ηλεκτρικά πεδία, τα μαγνητικά και τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία αποτελούν μέρος της ίδιας θεμελιώδους δύναμης του ηλεκτρομαγνητισμού. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη δρα μεταξύ όλων των φορτισμένων σωματιδίων στο σύμπαν. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη λαμβάνει τη μορφή καθημερινών φαινομένων στον ηλεκτρισμό και το μαγνητισμό, όπως ο στατικός ηλεκτρισμός και οι ηλεκτρικά φορτισμένοι δεσμοί που συγκρατούν τα μόρια μαζί.
Αυτή η δύναμη μαζί με τις χημικές αντιδράσεις αποτελούν επίσης τη βάση για την ηλεκτροκινητική δύναμη που επιτρέπει την ροή ρεύματος μέσω κυκλωμάτων. Όταν ένα μαγνητικό πεδίο φαίνεται συνυφασμένο με ένα ηλεκτρικό πεδίο, το προκύπτον προϊόν είναι γνωστό ως ηλεκτρομαγνητικό πεδίο.
ο Εξίσωση δύναμης Lorentz F = qE + qv × Β περιγράφει τη δύναμη επί ενός φορτισμένου σωματιδίου q κινείται με ταχύτητα v παρουσία ηλεκτρικού πεδίου μι και το μαγνητικό πεδίο σι. Σε αυτή την εξίσωση η Χ μεταξύ qv και σι αντιπροσωπεύει το διασταυρούμενο προϊόν. Ο πρώτος όρος qE είναι η συμβολή του ηλεκτρικού πεδίου στη δύναμη και του δεύτερου όρου qv x B είναι η συμβολή των μαγνητικών πεδίων.
Η εξίσωση Lorentz σας λέει επίσης ότι η μαγνητική δύναμη μεταξύ της ταχύτητας φόρτισης v και το μαγνητικό πεδίο σι είναι qvbsinφ για μια χρέωση q που ϕ ("phi") είναι η γωνία μεταξύ v και σι, το οποίο πρέπει να είναι μικρότερο από 1_80_ βαθμούς. Εάν η γωνία μεταξύ v και σι είναι μεγαλύτερη, τότε πρέπει να χρησιμοποιήσετε τη γωνία προς την αντίθετη κατεύθυνση για να το διορθώσετε (από τον ορισμό ενός εγκάρσιου προϊόντος). Εάν το _φ_ είναι 0, όπως και η ταχύτητα και το μαγνητικό πεδίο που βρίσκονται στην ίδια κατεύθυνση, η μαγνητική δύναμη θα είναι 0. Το σωματίδιο θα συνεχίσει να κινείται χωρίς να εκτραπεί από το μαγνητικό πεδίο.
Μαύρο Σταυροειδές Προϊόν
••• Syed Hussain AtherΣτο παραπάνω διάγραμμα, το διασταυρούμενο προϊόν μεταξύ δύο διανυσμάτων ένα και σι είναι ντο. Σημειώστε την κατεύθυνση και το μέγεθος του ντο. Είναι στην κατεύθυνση κάθετη προς ένα και σι όταν δίνεται από τον κανόνα του δεξιού χεριού. Ο δεξιός κανόνας σημαίνει ότι η κατεύθυνση του προκύπτοντος διασταυρούμενου προϊόντος ντο δίνεται από την κατεύθυνση του αντίχειρά σας όταν ο δεξιός δείκτης σας είναι προς την κατεύθυνση του σι και το δεξί μεσαίο δάχτυλό σας είναι προς την κατεύθυνση του ένα.
Το διασταυρούμενο προϊόν είναι μια διανυσματική λειτουργία η οποία έχει σαν αποτέλεσμα το διάνυσμα κάθετο προς αμφότερα qv και σι που δίνεται από το δεξί κανόνα των τριών διανυσμάτων και με το μέγεθος της περιοχής του παραλληλόγραμμου που τα διανύσματα qv και σι σπιθαμή. Ο δεξιός κανόνας σημαίνει ότι μπορείτε να καθορίσετε την κατεύθυνση του διασταυρούμενου προϊόντος μεταξύ qv και σι τοποθετώντας το δεξιό δείκτη σας προς την κατεύθυνση του σι, μεσαίο δάχτυλό σας προς την κατεύθυνση του qv, και η προκύπτουσα κατεύθυνση του αντίχειρά σας θα είναι η κατεύθυνση μεταξύ των δύο διανυσμάτων.
Στο παραπάνω διάγραμμα, ο κανόνας δεξιά δείχνει επίσης τη σχέση μεταξύ μαγνητικού πεδίου, μαγνητικής δύναμης και ρεύματος μέσω ενός καλωδίου. Αυτό δείχνει επίσης ότι το διασταυρούμενο προϊόν μεταξύ αυτών των τριών ποσοτήτων μπορεί να αντιπροσωπεύει τον κανόνα του δεξιού χεριού καθώς το διασταυρούμενο προϊόν μεταξύ της κατεύθυνσης της δύναμης και του πεδίου ισούται με την κατεύθυνση των ρευμάτων.
Μαγνητικό πεδίο στην καθημερινή ζωή
Μαγνητικά πεδία από περίπου 0,2 έως 0,3 tesla χρησιμοποιούνται σε μαγνητική τομογραφία, απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού. Η μαγνητική τομογραφία είναι μια μέθοδος που χρησιμοποιούν οι γιατροί για να μελετήσουν τις εσωτερικές δομές μέσα σε ένα σώμα ασθενών όπως ο εγκέφαλος, οι αρθρώσεις και οι μύες. Αυτό γίνεται γενικά τοποθετώντας τον ασθενή μέσα σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο έτσι ώστε το πεδίο να τρέχει κατά μήκος του άξονα του σώματος. Εάν φανταστείτε ότι ο ασθενής ήταν μαγνητικό σωληνοειδές, τα ηλεκτρικά ρεύματα θα τυλίγονταν γύρω από το σώμα του και το μαγνητικό πεδίο θα κατευθυνόταν στην κάθετη κατεύθυνση σε σχέση με το σώμα, όπως υπαγορεύει ο κανόνας του δεξιού χεριού.
Οι επιστήμονες και οι γιατροί μελετούν έπειτα τους τρόπους που αποκλίνουν τα πρωτόνια από την κανονική τους ευθυγράμμιση για να μελετήσουν τις δομές μέσα σε ένα σώμα ασθενών. Μέσα από αυτό, οι γιατροί μπορούν να κάνουν ασφαλείς, μη επεμβατικές διαγνώσεις διαφόρων συνθηκών.
Το άτομο δεν αισθάνεται το μαγνητικό πεδίο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, αλλά επειδή υπάρχει πολύ νερό στο ανθρώπινο σώμα, οι πυρήνες υδρογόνου (που είναι πρωτόνια) ευθυγραμμίζονται λόγω του μαγνητικού πεδίου.Ο σαρωτής MRI χρησιμοποιεί ένα μαγνητικό πεδίο που τα πρωτόνια απορροφούν ενέργεια και, όταν το μαγνητικό πεδίο είναι απενεργοποιημένο, τα πρωτόνια επιστρέφουν στις κανονικές τους θέσεις. Στη συνέχεια, η συσκευή παρακολουθεί αυτή τη μεταβολή στη θέση της για να καθορίσει τον τρόπο ευθυγράμμισης των πρωτονίων και να δημιουργήσει μια εικόνα του εσωτερικού του σώματος των ασθενών.