Hoe werken magnetische velden?

Inhoud

• Magnetic Fields Science
• Hoe bepaal je het magnetisch veld?
• Soorten magneten
• Magnetische kracht
• Magnetische velden en elektrische velden
• Magnetisch veld dwarsproduct
• Magnetisch veld in het dagelijks leven

••• Syed Hussain Ather

Magnetische velden beschrijf hoe de magnetische kracht door de ruimte rond objecten wordt verdeeld. Over het algemeen reizen de magnetische veldlijnen voor een magnetisch object van de noordpool naar de zuidpool, net zoals voor het magnetische veld van de aarde, zoals weergegeven in het bovenstaande diagram.

Dezelfde magnetische kracht die ervoor zorgt dat objecten aan koelkastoppervlakken blijven kleven, wordt gebruikt in het aardmagneetveld dat de ozonlaag beschermt tegen schadelijke zonnewind. Het magnetische veld vormt energiepakketten die voorkomen dat de ozonlaag kooldioxide verliest.

Je kunt dit waarnemen door ijzervijlsel, kleine poederachtige stukjes ijzer, in aanwezigheid van een magnetisch te gieten. Plaats een magneet onder een stuk papier of een licht vel stof. Giet de ijzervijlsel in en bekijk de vormen en formaties die ze aannemen. Bepaal welke veldlijnen er moeten zijn om ervoor te zorgen dat de archieven zich volgens de magnetische veldenfysica op deze manier rangschikken en verspreiden.

Hoe groter de dichtheid van de magnetische veldlijnen getrokken van noord naar zuid, hoe groter de grootte van het magnetische veld. Deze noord- en zuidpolen dicteren ook of magnetische objecten aantrekkelijk zijn (tussen noord- en zuidpolen) of afstotend (tussen identieke polen). Magnetische velden worden gemeten in eenheden van Tesla, T.

Magnetic Fields Science

Omdat magnetische velden worden gevormd wanneer ladingen in beweging zijn, worden magnetische velden geïnduceerd door elektrische stroom door draden. Het veld geeft u een manier om de potentiële sterkte en richting van een magnetische kracht te beschrijven, afhankelijk van de stroom door een elektrische draad en de afstand die de stroom aflegt. Magnetische veldlijnen vormen concentrische cirkels rond draden. De richting van deze velden kan worden bepaald via de 'rechterhandregel'.

Deze regel vertelt u dat, als u uw rechterduim in de richting van elektrische stroom door een draad plaatst, de resulterende magnetische velden in de richting zijn van hoe uw handenvingers krullen. Met een grotere stroom wordt een groter magnetisch veld geïnduceerd.

Hoe bepaal je het magnetisch veld?

U kunt verschillende voorbeelden van de gebruiken rechterhand regel, een algemene regel voor het bepalen van de richting van verschillende hoeveelheden met betrekking tot magnetisch veld, magnetische kracht en stroom. Deze vuistregel is nuttig voor veel gevallen in elektriciteit en magnetisme zoals bepaald door de wiskunde van de hoeveelheden.

••• Syed Hussain Ather

Deze rechterhandregel kan ook in de andere richting worden toegepast voor een magnetisch solenoide, of een reeks elektrische stroom gewikkeld in draden rond een magneet. Als u uw rechterduim in de richting van het magnetisch veld richt, dan zullen uw rechterhandvingers zich in de richting van elektrische stroom wikkelen. Met elektromagneten kunt u de kracht van het magnetische veld benutten door elektrische stromen.

••• Syed Hussain Ather

Wanneer een elektrische lading reist, wordt het magnetische veld gegenereerd terwijl de elektronen die ronddraaien en bewegen zelf magnetische objecten worden. Elementen met ongepaarde elektronen in hun grondtoestanden zoals ijzer, kobalt en nikkel kunnen zodanig worden uitgelijnd dat ze permanente magneten vormen. Het magnetische veld geproduceerd door de elektronen van deze elementen laat elektrische stroom gemakkelijker door deze elementen stromen. Magnetische velden zelf kunnen elkaar ook opheffen als ze even groot zijn in tegengestelde richtingen.

Stroom die door een batterij stroomt ik geeft een magnetisch veld af B op straal r volgens de vergelijking voor Ampères wet: B = 2πr μ_{0 ​}ik waar μ₀ is de magnetische constante van vacuümdoorlatendheid, 1,26 x 10^-6 H / m ("Henries per meter" waarin Henries de eenheid van inductie is). Door de stroom te verhogen en dichter bij de draad te komen, wordt zowel het magnetische veld dat hierdoor ontstaat vergroot.

Soorten magneten

Wil een object magnetisch zijn, dan moeten de elektronen waaruit het object bestaat vrij rond en tussen atomen in het object kunnen bewegen. Voor een magnetisch materiaal zijn atomen met ongepaarde elektronen met dezelfde spin ideale kandidaten, aangezien deze atomen met elkaar kunnen paren om elektronen vrij te laten stromen. Het testen van materialen in aanwezigheid van magnetische velden en het onderzoeken van de magnetische eigenschappen van de atomen die deze materialen maken, kunnen u vertellen over hun magnetisme.

ferromagneten hebben deze eigenschap dat ze permanent magnetisch zijn. paramagnetendaarentegen zullen geen magnetische eigenschappen vertonen tenzij in de aanwezigheid van een magnetisch veld om de spins van de elektronen op één lijn te brengen zodat ze vrij kunnen bewegen. Diamagnets hebben atomaire samenstellingen zodat ze helemaal niet worden beïnvloed door magnetische velden of slechts zeer weinig worden beïnvloed door magnetische velden. Ze hebben geen of weinig ongepaarde elektronen om ladingen door te laten stromen.

Paramagneten werken omdat ze gemaakt zijn van materialen die dat altijd al hebben gedaan magnetische momenten, bekend als dipolen. Deze momenten zijn hun vermogen om uit te lijnen met een extern magnetisch veld vanwege de spin van ongepaarde elektronen in de orbitalen van de atomen die deze materialen maken. In aanwezigheid van een magnetisch veld, richten de materialen zich om de kracht van het magnetische veld tegen te werken. Paramagnetische elementen omvatten magnesium, molybdeen, lithium en tantaal.

In een ferromagnetisch materiaal is de dipool van de atomen permanent, meestal als gevolg van het verwarmen en afkoelen van paramagnetisch materiaal. Dit maakt hen ideale kandidaten voor elektromagneten, motoren, generatoren en transformatoren voor gebruik in elektrische apparaten. Diamagneten kunnen daarentegen een kracht produceren die elektronen vrij laat stromen in de vorm van stroom die vervolgens een magnetisch veld creëert dat tegengesteld is aan elk daarop aangebracht magnetisch veld. Dit heft het magnetische veld op en voorkomt dat ze magnetisch worden.

Magnetische kracht

Magnetische velden bepalen hoe magnetische krachten kunnen worden verdeeld in aanwezigheid van magnetisch materiaal. Hoewel elektrische velden de elektrische kracht beschrijven in aanwezigheid van een elektron, hebben magnetische velden niet zo'n analoog deeltje waarop magnetische kracht kan worden beschreven. Wetenschappers hebben de theorie dat een magnetische monopool kan bestaan, maar er is geen experimenteel bewijs om aan te tonen dat deze deeltjes bestaan. Als ze zouden bestaan, zouden deze deeltjes een magnetische "lading" hebben, net zoals geladen deeltjes elektrische ladingen hebben.

Magnetische kracht ontstaat door de elektromagnetische kracht, de kracht die zowel elektrische als magnetische componenten van deeltjes en objecten beschrijft. Dit laat zien hoe intrinsiek magnetisme is voor dezelfde fenomenen van elektriciteit zoals stroom en elektrisch veld. De lading van een elektron zorgt ervoor dat het magnetische veld het door magnetische kracht afbuigt, net zoals elektrisch veld en elektrische kracht doen.

Magnetische velden en elektrische velden

Terwijl alleen bewegende geladen deeltjes magnetische velden afgeven en alle geladen deeltjes elektrische velden afgeven, maken magnetische en elektromagnetische velden deel uit van dezelfde fundamentele kracht van elektromagnetisme. De elektromagnetische kracht werkt tussen alle geladen deeltjes in het universum. De elektromagnetische kracht neemt de vorm aan van alledaagse fenomenen in elektriciteit en magnetisme zoals statische elektriciteit en de elektrisch geladen bindingen die moleculen bij elkaar houden.

Deze kracht vormt naast chemische reacties ook de basis voor de elektromotorische kracht die stroom door circuits laat stromen. Wanneer een magnetisch veld wordt gezien verweven met een elektrisch veld, staat het resulterende product bekend als een elektromagnetisch veld.

De Lorentz krachtvergelijking F = qE + qv × B beschrijft de kracht op een geladen deeltje q bewegen met snelheid v in aanwezigheid van een elektrisch veld E en magnetisch veld B. In deze vergelijking de X tussen qv en B vertegenwoordigt het kruisproduct. De eerste termijn qE is de bijdrage van het elektrische veld aan de kracht en de tweede term qv x B is de bijdrage van magnetische velden.

De Lorentz-vergelijking vertelt je ook dat de magnetische kracht tussen de laadsnelheid v en het magnetische veld B is qvbsinφ tegen betaling q waar ϕ ("phi") is de hoek tussen v en B, die minder dan 1_80_ graden moet zijn. Als de hoek tussen v en B groter is, moet u de hoek in de tegenovergestelde richting gebruiken om dit te corrigeren (uit de definitie van een cross-product). Als _ϕ_is 0, zoals in, snelheid en magnetisch veld in dezelfde richting wijzen, is de magnetische kracht 0. Het deeltje blijft bewegen zonder te worden afgebogen door het magnetische veld.

Magnetisch veld dwarsproduct

••• Syed Hussain Ather

In het bovenstaande diagram is het kruisproduct tussen twee vectoren een en b is c. Let op de richting en grootte van c. Het is in de richting loodrecht op een en b wanneer gegeven door de rechterhand regel. De rechterregel betekent dat de richting van het resulterende dwarsproduct c wordt gegeven door de richting van uw duim wanneer uw rechterwijsvinger in de richting van staat b en uw rechter middelvinger is in de richting van een.

Het kruisproduct is een vectorbewerking die resulteert in de vector loodrecht op beide qv en B gegeven door de rechterregel van de drie vectoren en met de grootte van het gebied van het parallellogram dat de vectoren qv en B span. De rechterregel betekent dat u de richting van het kruisproduct tussen kunt bepalen qv en B door uw rechterwijsvinger in de richting van te plaatsen B, uw middelvinger in de richting van qv, en de resulterende richting van uw duim is de productoverschrijdende richting van deze twee vectoren.

••• Syed Hussain Ather

In het bovenstaande diagram toont de rechterregel ook de relatie tussen magnetisch veld, magnetische kracht en stroom door een draad. Dit toont ook aan dat het kruisproduct tussen deze drie hoeveelheden de rechterregel kan vertegenwoordigen, aangezien het kruisproduct tussen de richting van de kracht en het veld gelijk is aan de stroomrichting.

Magnetisch veld in het dagelijks leven

Magnetische velden van ongeveer 0,2 tot 0,3 tesla worden gebruikt in MRI, magnetische resonantiebeeldvorming. MRI is een methode die artsen gebruiken om interne structuren in het lichaam van een patiënt te bestuderen, zoals de hersenen, gewrichten en spieren. Dit wordt meestal gedaan door de patiënt in een sterk magnetisch veld te plaatsen, zodat het veld langs de as van het lichaam loopt. Als je je zou voorstellen dat de patiënt een magnetische solenoïde was, zouden de elektrische stromen zich om zijn of haar lichaam wikkelen en zou het magnetische veld in verticale richting worden gericht ten opzichte van het lichaam, zoals voorgeschreven door de rechterregel.

Wetenschappers en artsen bestuderen vervolgens de manieren waarop protonen afwijken van hun normale uitlijning om de structuren in het lichaam van een patiënt te bestuderen. Hierdoor kunnen artsen veilige, niet-invasieve diagnoses stellen van verschillende aandoeningen.

De persoon voelt het magnetische veld niet tijdens het proces, maar omdat er zoveel water in het menselijk lichaam is, richten de waterstofkernen (die protonen zijn) zich op door het magnetische veld.De MRI-scanner gebruikt een magnetisch veld waaruit de protonen energie absorberen en, wanneer het magnetische veld wordt uitgeschakeld, keren de protonen terug naar hun normale posities. Het apparaat volgt vervolgens deze positiewijziging om te bepalen hoe de protonen zijn uitgelijnd en een beeld te creëren van de binnenkant van het lichaam van de patiënt.