MAGNETFELT: INTENSITET, KARAKTERISTIKA, KILDER, EKSEMPLER - FYSISK - 2024

Det magnetiske felt er den indflydelse, som bevæger elektriske ladninger har på den plads, der omgiver dem. Opladninger har altid et elektrisk felt, men kun dem, der er i bevægelse, kan generere magnetiske effekter.

Eksistensen af ​​magnetisme har været kendt i lang tid. De gamle grækere beskrev et mineral, der var i stand til at tiltrække små jernstykker: det var lodsten eller magnetit.

Figur 1. Magnetit-prøve. Kilde: Wikimedia Commons. Rojinegro81.

Vismændene Thales af Milet og Platon var optaget af at registrere magnetiske effekter i deres skrifter; forresten, de vidste også statisk elektricitet.

Men magnetisme blev ikke forbundet med elektricitet før i det 19. århundrede, da Hans Christian Oersted observerede, at kompasset afvigede i nærheden af ​​en ledende ledningsstrøm.

I dag ved vi, at elektricitet og magnetisme, så at sige, to sider af den samme mønt.

Magnetfelt i fysik

I fysik er udtrykket magnetisk felt en vektormængde med modul (dens numeriske værdi), retning i rum og forstand. Det har også to betydninger. Den første er en vektor undertiden kaldes magnetisk induktion og er betegnet med B.

Enheden af B i det internationale system af enheder er tesla, forkortet T. Den anden mængde, der også kaldes magnetfeltet, er H, også kendt som magnetfeltintensiteten, og hvis enhed er ampere / meter.

Begge mængder er proportional, men de er defineret på denne måde for at tage højde for de virkninger, magnetiske materialer har på felterne, der passerer gennem dem.

Hvis et materiale placeres midt i et eksternt magnetfelt, vil det resulterende felt afhænge af dette og også af materialets egen magnetiske respons. Derfor er B og H relateret til:

B = μ _m H

Her μ _m er en konstant, der afhænger af materialet og har passende enheder, således at når gange med H resultatet er Tesla.

C

-Magnetfeltet er en vektorstørrelse, derfor har det størrelse, retning og sans.

-Enheden af ​​magnetfeltet B i det internationale system er tesla, forkortet til T, mens H er ampere / meter. Andre enheder, der ofte vises i litteraturen, er gauss (G) og oversted.

-Magnetiske feltlinjer er altid lukkede sløjfer, der forlader en nordpol og kommer ind i en sydpol. Feltet er altid tangent til linjerne.

-Magnetpolerne præsenteres altid i et nord-syd-par. Det er ikke muligt at have en isoleret magnetisk pol.

-Det stammer altid fra bevægelsen af ​​elektriske ladninger.

-Dens intensitet er proportional med størrelsen på belastningen eller den strøm, der producerer den.

-Magnetfeltets størrelse falder med det inverse af kvadratet på afstanden.

-Magnetiske felter kan være konstante eller varierende, både i tid og rum.

-Et magnetfelt er i stand til at udøve en magnetisk kraft på en bevægelig ladning eller på en ledning, der bærer strøm.

Polakker af en magnet

En stangmagnet har altid to magnetiske poler: nordpolen og sydpolen. Det er meget let at kontrollere, at poler med det samme skilt frastøder, mens de af forskellige typer tiltrækker.

Dette ligner meget, hvad der sker med elektriske ladninger. Det kan også observeres, at jo tættere de er, jo større er den kraft, som de tiltrækker eller frastøder hinanden med.

Stangmagneter har et karakteristisk mønster af feltlinjer. De er skarpe kurver, der forlader nordpolen og kommer ind på sydpolen.

Figur 2. Magnetfeltlinjer for en stangmagnet. Kilde: Wikimedia Commons.

Et simpelt eksperiment til at se på disse linjer er at sprede jernfilinger oven på et ark papir og placere en stangmagnet under.

Magnetfeltets intensitet er givet som en funktion af feltlinjernes tæthed. Disse er altid tætest nær polerne, og de spreder sig, når vi bevæger os væk fra magneten.

Magneten er også kendt som en magnetisk dipol, hvor de to poler er nøjagtigt de nordlige og sydlige magnetiske poler.

Men de kan aldrig adskilles. Hvis du skærer magneten i halvdelen, får du to magneter, hver med sine respektive nord- og sydpoler. Isolerede poler kaldes magnetiske monopoler, men til dato er ingen blevet isoleret.

Kilder

Man kan tale om forskellige kilder til magnetfelt. De spænder fra magnetiske mineraler gennem selve Jorden, der opfører sig som en stor magnet, til elektromagneter.

Men sandheden er, at ethvert magnetfelt har sin oprindelse i bevægelsen af ​​ladede partikler.

Senere vil vi se, at den oprindelige kilde til al magnetisme ligger i de små strømme inde i atomet, hovedsageligt dem, der er produceret på grund af bevægelserne af elektronerne omkring kernen og de kvanteeffekter, der findes i atomet.

Men hvad angår dens makroskopiske oprindelse, kan man tænke på naturlige kilder og kunstige kilder.

Naturlige kilder "slukker" principielt ikke, de er permanente magneter, men det skal tages i betragtning, at varme ødelægger stoffernes magnetisme.

Hvad angår kunstige kilder, kan den magnetiske effekt undertrykkes og kontrolleres. Derfor har vi:

-Magneter af naturlig oprindelse, lavet af magnetiske mineraler såsom magnetit og maghemit, begge jernoxider, for eksempel.

-Elektriske strømme og elektromagneter.

Magnetiske mineraler og elektromagneter

I naturen er der forskellige forbindelser, der udviser bemærkelsesværdige magnetiske egenskaber. De er i stand til at tiltrække stykker jern og nikkel såvel som andre magneter.

De nævnte jernoxider, såsom magnetit og maghemit, er eksempler på denne klasse af stoffer.

Magnetisk følsomhed er den parameter, der bruges til at kvantificere de magnetiske egenskaber for klipper. Grundlæggende stollende klipper er dem med den højeste følsomhed på grund af deres høje indhold af magnetit.

På den anden side, så længe du har en ledning, der bærer strøm, vil der være et tilknyttet magnetfelt. Her har vi en anden måde at generere et felt på, som i dette tilfælde har form af koncentriske cirkler med ledningen.

Retningens bevægelsesretning er angivet ved hjælp af højre tommelfingerregel. Når højre tommelfinger peger i strømretningen, angiver de fire resterende fingre den retning, i hvilken feltlinjerne er bøjet.

Figur 3. Højre tommelfingerregel for at få retningen og sansen for magnetfeltet. Kilde: Wikimedia Commons.

En elektromagnet er en enhed, der producerer magnetisme fra elektriske strømme. Det har fordelen ved at være i stand til at tænde og slukke efter vilje. Når strømmen ophører, forsvinder magnetfeltet. Derudover kan feltintensiteten også kontrolleres.

Elektromagneter er en del af forskellige enheder, herunder højttalere, harddiske, motorer og relæer, blandt andre.

Magnetisk kraft på en bevægelig ladning

Eksistensen af ​​et magnetfelt B kan verificeres ved hjælp af en testelektrisk ladning-kaldet q- og som bevæger sig med hastighed v. Til dette udelukkes tilstedeværelsen af ​​elektriske og gravitationsfelter, i det mindste i øjeblikket.

I et sådant tilfælde er kraften opleves af ladning q, som er betegnet som F _B, er helt på grund af indflydelsen af feltet. Kvalitativt observeres følgende:

-Den størrelsen af F _B er proportional med q og en hastighed v.

-Hvis v er parallel med den magnetiske feltvektor, størrelsen af F _B er nul.

-Magnetkraften er vinkelret på både v og B.

Endelig er størrelsen af ​​magnetisk kraft proportional med sin θ, hvor θ er vinklen mellem hastighedsvektoren og magnetfeltvektoren.

Alt det ovenstående gælder for både positive og negative omkostninger. Den eneste forskel er, at magnetkraftens retning vendes.

Disse observationer stemmer overens med vektorproduktet mellem to vektorer, så den magnetiske kraft, der opleves af en punktladning q, der bevæger sig med hastigheden v i midten af ​​et magnetfelt, er:

F _B = q v x B

Hvis modul er:

Figur 4. Højre regel for magnetisk kraft på en positiv punktladning. Kilde: Wikimedia Commons.

Hvordan genereres et magnetfelt?

Der er flere måder, for eksempel:

-Ved magnetisering af et passende stof.

- Føring af en elektrisk strøm gennem en ledende ledning.

Men magnetismens oprindelse forklares ved at huske, at den skal være forbundet med bevægelsen af ​​ladninger.

En elektron, der kredser om kernen, er i det væsentlige et lille lukket strømkredsløb, men en, der er i stand til at bidrage væsentligt til atomets magnetisme. Der er meget mange elektroner i et stykke magnetisk materiale.

Dette bidrag til atomets magnetisme kaldes det magnetiske kredsløbsmoment. Men der er mere, fordi oversættelsen ikke er den eneste bevægelse af elektronet. Det har også et magnetisk spin-øjeblik, en kvanteeffekt, hvis analogi er en rotation af elektronet på dets akse.

Faktisk er det magnetiske spin-moment det væsentligste årsag til magnetismen i et atom.

typer

Magnetfeltet er i stand til at antage mange former afhængigt af fordelingen af ​​strømme, der stammer fra det. Til gengæld kan det ikke kun variere i rummet, men også i tid eller begge dele på samme tid.

-I nærheden af ​​polerne i en elektromagnet er der et tilnærmelsesvis konstant felt.

- Også inden i en solenoid opnås en høj intensitet og ensartet felt med feltlinierne rettet langs den aksiale akse.

-Jordets magnetiske felt tilnærmer sig ret godt marken for en stangmagnet, især i nærheden af ​​overfladen. Længere væk ændrer solvinden de elektriske strømme og deformer den mærkbart.

-En ledning, der bærer strøm, har et felt i form af koncentriske cirkler med ledningen.

Hvad angår hvorvidt feltet kan variere over tid, har vi:

-Statiske magnetfelter, når hverken deres størrelse eller retning ændrer sig over tid. Feltet for en stangmagnet er et godt eksempel på denne type felt. Også dem, der stammer fra ledninger, der bærer stationære strømme.

-Variable felter over tid, hvis nogen af ​​deres egenskaber varierer over tid. En måde at få dem på er fra vekselstrømsgeneratorer, der gør brug af fænomenet magnetisk induktion. De findes i mange almindeligt anvendte enheder, f.eks. Mobiltelefoner.

Biot-Savarts lov

Når det er nødvendigt at beregne formen på det magnetiske felt produceret ved en fordeling af strømme, kan der anvendes Biot-Savart-loven, opdaget i 1820 af de franske fysikere Jean Marie Biot (1774-1862) og Felix Savart (1791-1841).).

For nogle strømfordelinger med enkle geometrier kan et matematisk udtryk for magnetfeltvektoren opnås direkte.

Antag, at vi har et trådssegment med differentiel længde dl, der bærer en elektrisk strøm I. Tråden antages også at være i et vakuum. Det magnetiske felt, der producerer denne distribution:

-Faldes med det inverse af kvadratet på afstanden til ledningen.

-Det er proportionalt med intensiteten af ​​den strøm I, der passerer gennem ledningen.

-Dens retning er tangentiel for omkredsen af ​​radius r, der er centreret på wiren, og dens retning er angivet ved hjælp af højre tommelfingerregel.

- μ _o = 4π. 10 ^-7 Tm / A

- d B er et magnetfelt differentiale.

- Jeg er intensiteten af ​​strømmen, der strømmer gennem ledningen.

- r er afstanden mellem midten af ​​ledningen og det punkt, hvor du vil finde feltet.

-r er vektoren, der går fra ledningen til det punkt, hvor du vil beregne feltet.

eksempler

Nedenfor er to eksempler på magnetfelt og deres analytiske udtryk.

Magnetfelt produceret af en meget lang retlinet tråd

Ved hjælp af Biot-Savart-loven kan man opnå det felt, der er produceret af en tynd, fin ledertråd, der bærer en strøm I. Ved at integrere langs lederen og tage den begrænsende sag, hvor den er meget lang, er feltets størrelse resultat:

Felt oprettet af Helmholtz-spolen

Helmholtz-spiralen består af to identiske og koncentriske cirkulære spoler, hvortil den samme strøm ledes. De tjener til at skabe et tilnærmelsesvis ensartet magnetfelt inden i det.

Figur 5. Skematisk over Helmholtz-spolerne. Kilde: Wikimedia Commons.

Størrelsen i midten af ​​spolen er:

Y er rettet langs den aksiale akse. Faktorerne i ligningen er:

- N repræsenterer antallet af svinger på spolerne

- Jeg er strømstyrken

- μ _o er vakuumets magnetiske permeabilitet

- R er spolens radius.

Referencer

1. Figueroa, D. (2005). Serie: Fysik til videnskab og teknik. Bind 1. Kinematik. Redigeret af Douglas Figueroa (USB).
2. Magnetiske feltstyrke H. Gendannes fra: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fysik: Et kig på verden. 6. forkortede udgave. Cengage Learning.
4. Magnetfelt og magnetiske kræfter. Gendannes fra: physics.ucf.edu.
5. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
6. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fysik til videnskab og teknik. Bind 2. 7. Ed. Cengage Learning.
7. University of Vigo. Eksempler på magnetisme. Gendannes fra: quintans.webs.uvigo.es