Mindent tudni akarok

Mágneses mező

Pin
Send
Share
Send


MagnetostaticsAmpère törvénye · Elektromos áram · Mágneses mező · Mágneses fluxus · Biot-Savart törvény · Mágneses dipólus pillanat · Gauss törvénye a mágnesességről ·Elektrodinamika Szabad hely · Lorentz-törvény · EMF · Elektromágneses indukció · Faraday törvénye · Elmozdulási áram · Maxwell egyenletei · EM mező · Elektromágneses sugárzás · Liénard-Wiechert lehetőségei · Maxwell tenzor · örvényáram ·Elektromos hálózatElektromos vezetés · Elektromos ellenállás · Kapacitancia · induktivitás · Impedancia · Rezonáló üregek · hullámvezetők ·Kovariáns összetételElektromágneses tenzor · EM stressz-energia tenzor · Négy folyó · Négy lehetséges ·ScientistsAmpère · ampermásodperc · Faraday · Heaviside · Henrik · Hertz · Lorentz · Maxwell · Tesla · Weber ·

A mágneses mező egy láthatatlan fizikai jelenség, amelyet egy villamos áram okoz (indukál). Az áram lehet olyan kicsi, mint egy keringő elektron egy atomban, vagy olyan nagy, mint a háztartási vezetékekben vagy a Föld magjában áramló elektromos áramok. A mágneses teret az általa áthaladó töltött részecskén vagy egy mágneses dipóluson, például állandó mágnesen generált erő észlelheti. A Teslas (T) mértékegységében mért mágneses mezők erőssége nagyban változhat, a Föld mágneses tere körülbelül 1/30 000 T-től a hűtőszekrény mágnesének 1/100 T-ig, a Nap 1/6 T-ig és 50 000 T-ig terjedően. a fehér törpe csillagok számára. A Föld mágneses tere megóvja a bolygót a napsugárzástól, amelynek töltött részecskéi néha áthatolnak az pajzson, és a mágneses mező vonalait a pólusok felé hajtják, ahol leszármazásuk előállítja a táncoló „északi fényt”, az Aurora Borealis-t.

A mágneses és az elektromos mező nagyon interaktív: A változó mágneses mező elektromos mezőt indukál, a változó elektromos mező pedig mágneses mezőt indukál. Amikor a két mező közvetlenül egymásra merőleges, függőleges függőleges hullámokként kapcsolódik, amelyek oszcillálnak és terjednek egymással, energiát hordoznak elektromágneses sugárzás formájában, a látható fénytől a röntgen sugaraiig és a rádióhullámokig.

A vándorló madarak és tengeri teknősök, valamint az iránytűt követő emberi matrózok a Föld mágneses mezőjét használják útmutatásként. A mágneses mezők megértése és manipulálása alapvető fontosságú volt a villamos energia emberi felhasználáshoz történő felhasználásában, mivel a mágneses mezők aktívak minden áramfejlesztőben és minden elektromos motorban. A mágneses mező effektusokat mind a mikrofonokon a hang rögzítéséhez, mind a hangszórókat alkalmazzák a kivetítéshez, a klasszikus magnó a mágneses mező effektusokat alkalmazva a hangjeleket a kazettára rögzítette, majd később lejátszotta.

A tudományos műszerek, például a ciklotronok, a galvanométerek és a tömegspektrométerek a mágneses mezők hatásait használják a fizikai jelenségek tanulmányozására és az anyagok elemzésére. Az erős mágneses terek impulzusát használják az FMRI-ben (funkcionális mágneses rezonancia képalkotás) az agyi aktivitás monitorozására, és az MRI-ben a szövetek képalkotó vizsgálatához.

A vaslemezekre ráhúzva egy papírlapra, amely letakarja a rúdmágnest (egy mágneses dipólt), körvonalazza a mágnest és az egyébként láthatatlan mágneses mező a mágnes pólusai között ívvonalak (N és S jelöléssel). Minden vastartály kis mágnessé válik, és igazodik a mágneses mezőhöz.

A mágneses mező alapjai

B és H

A gyakorlatban a fizikusok a mágneses mezőre az "üres" térben utalnak a szimbólum használatával és használj egy második kifejezést, (mágneses mező erőssége): a mágneses mező jellemzésére, amely áthalad egy mágnesesen érzékeny anyagon, például vason, amely hozzájárul a belső mágneses mezőhöz. A fizikusok is utalnak erre mint kiegészítő mágneses mező vagy mágnesező mező. A villamosmérnökök között az úgynevezett mágneses mező intenzitása vagy mágneses mező erőssége, és úgy is ismert mint mágneses fluxussűrűség, mágneses indukció, vagy egyszerűen mágneses mező, a fizikusok által használt módon.

Egységek

A mágneses mező rendelkezik a teslák SI-mértékegységével (T), amely megegyezik a webr per négyzetméter (Wb / m²) vagy volt másodperc / négyzetméter (V s / m²) értékével. (A weber a mágneses fluxus SI egysége, amelyet úgy definiálnak, hogy a fluxus mennyisége ahhoz szükséges, hogy a környező vezető hurokban 1 voltos elektromotoros erőt indukáljon, ha a fluxust egy másodperc alatt nullára csökkentik.)123 Cgs-egységekben, gauss egységgel rendelkezik (G), ahol 1T = 10 000 G. A vektor mező mértékegységét amperben / méterben (A / m) kell megadni SI-ben vagy kicserélve (Oe), cgs-egységekben.

Vektor mezők

A mágneses mező matematikailag tartozik a vektormezők osztályába, amelyeket a megjelenési területük minden pontján nagyság és irány határoz meg. A mágneses mező , amelynek nagyságát Teslas-ban és a mágneses térerősségben mérik , amelynek nagyságát amperben / méterben mérik, ezért mindkettőt megfelelőbben egy vektor képviseli (egy nyílnak tűnik), és a teljes mezőt sok olyan nyíl képviseli, amelyek irányai együttesen mutatják a két mágneses pólus közötti mágneses mező görbéjét. .

Állandó mágnesek és mágneses pólusok

A mágneses tér iránya a mágnes pólusai közelében akkor derül ki, ha iránytűket helyez el a közelben. Amint itt látható, a mágneses mező a mágnes déli pólusa felé mutat, és az északi pólusától távol van.

Az állandó mágnesek olyan tárgyak, amelyek saját állandó mágneses tereiket képezik. Minden állandó mágnesnek van egyaránt északi és déli pólusa. (A mágneses pólusok mindig észak-déli párban vannak.) Mint a pólusok az ellenkező pólusok megtámadják és vonzzák az ellenkező pólusokat. (Lásd az alábbiakban a nem egyenletes B miatti erőt a mágneses dipóluson.) Az állandó mágnesben a mágnesesség az azt alkotó atomok (különösen az elektronok) tulajdonságaiból fakad. Minden atom úgy viselkedik, mint egy kis egyedi mágnes. Ha ezek a mágnesek sorba kerülnek, akkor összekapcsolódnak, és makroszkopikus mágneses hatást eredményeznek. A mikroszkopikusan és makroszkopikusan történõ eseményekkel kapcsolatos további részletekért lásd a ferromagnetizmus cikket.

Ha hagyja, hogy szabadon elforduljon, a mágnes a mágneses mező irányába mutat a helyén. Az iránytű egy kicsi mágnes, amely ezt a hatást használja a helyi mágneses tér irányának mutatására. Meghatározása szerint a mágneses mező iránya egy ponton az az irány, amelyet a mágnes északi pólusa meg akar mutatni.

Ha egy iránytűt helyezünk el a mágnes északi pólusához, akkor az el fog mutatni attól a pólusszerű pólusoktól. Más szavakkal, a mágneses mező az északi pólus közelében lévő mágnestől mutat. Ellenkező esetben fordul elő, ha az iránytűt egy mágnes déli pólusához közel helyezzük; a mágneses mező a mágnes felé mutat a déli pólus közelében. A mágneses mezők azonban nem minden leírhatók a lengyelek szempontjából. Például egy egyenes áramot hordozó huzal mágneses mezőt hoz létre, amely sem a huzal felé, sem a távolabbi felé mutat, hanem helyette körülveszi.

Megjeleníti a mágneses teret

Az objektum mágneses mezőjének erőssége és iránya helyzettől függően változik. Ennek a mágneses mezőnek a feltérképezése elvileg egyszerű. Először mérje meg a mágneses mező erősségét és irányát sok ponton. Ezután jelölje meg az egyes helyeket egy nyíllal (vektornak nevezzük), amely a mágneses mező irányába mutat, és a hossza arányos a mágneses mező erősségével. Ez egy érvényes és hasznos módszer egy tárgy mágneses tere megjelölésére és megjelenítésére. Ennek az a szerencsétlen következménye azonban, hogy egy grafikát elcsúsztat, még akkor is, ha kevés pontot használ. A mágneses mező megjelenítésének alternatív módszere a "mágneses mező vonalak" használata.

Mágneses B mezővonalak

Különböző fizikai jelenségek mutatják a mágneses mező vonalainak megjelenítését. Például a mágneses mezőbe helyezett vaslemezek úgy vannak elhelyezve, hogy vizuálisan megmutatják a mágneses mező tájolását (lásd a felső képet). Egy másik hely, ahol a mágneses tereket vizuálisan megjelenítik, a poláris aurorákban található, ahol a látható fénycsíkok a Föld mágneses mezőjének helyi irányába mutatnak (a plazma részecske-dipól kölcsönhatások miatt). Ezekben a jelenségekben olyan vonalak vagy görbék jelennek meg, amelyek a helyi mágneses tér irányát követik.

Ezek a mezővonalak lehetőséget adnak a mágneses mező (vagy bármilyen más vektormező) ábrázolására vagy rajzolására. Technikai szempontból a terepi vonalak a téren áthaladó vonalkészletek, amelyeknek bármelyik iránya a helyi mágneses tér iránya, és amelyek sűrűsége arányos a helyi mágneses mező nagyságával. Vegye figyelembe, hogy ha egy mágneses teret mezővonalakkal ábrázolnak, akkor az az nem azt jelentette, hogy a mező csak nulla nulla a behúzott mezővonalak mentén. (A vaslemezek használata egy mező megjelenítéséhez kivételt jelentenek a képen: A mágneses mező valójában sokkal nagyobb a vas "vonalai" mentén, a vasnak a levegőhöz viszonyított nagy permeabilitása miatt.) Inkább a A mező általában sima és folyamatos mindenhol, és becsülhető bármilyen pontot (egy mező vonalon vagy sem) a közeli mezővonalak irányának és sűrűségének megnézésével. Az ilyen ábrán mekkora mezõvonalat választunk önkényesen, kivéve azt a követelményt, hogy legyenek elosztva úgy, hogy sûrûségük meghaladja a helyi mezõ méretét. A mágneses mező ábrázolásának részletessége növelhető a vonalak számának növelésével.

A mezővonalak hasznos módon reprezentálják bármely vektormezőt, és gyakran felhasználhatók annak a mezőnek a kifinomult tulajdonságaira, hogy egyszerűen felfedjék. A mágnes egyik fontos tulajdonsága mező, amelyet a mezővonalakkal ellenőrizni lehet, hogy mindig teljes hurkokat készít. A mágneses mező vonala sem kezdődik, sem nem ér véget (bár a végtelenségig vagy a végtelenségig terjedhet). A mai napig nem találtak kivételt e szabály alól.

Még akkor is, ha úgy tűnik, hogy a mágneses mezőnek van vége (például amikor egy északi pólus közelében távozik, vagy egy mágnes déli pólusához közel ér), a valóságban nem. Állandó mágnes esetén a terepi vonalak kitöltik a mágnes belsejében lévő hurkot, amely délről az északi pólusra halad. (Ha látni szeretné, hogy ez igaz legyen, képzelje el, hogy helyez egy iránytűt a mágnes belsejébe. Az iránytű északi pólusa a mágnes északi pólusa felé mutat, mivel a mágnesek egymásra vannak helyezve ugyanabba az irányba.)

Mivel a mágneses mező vonalai mindig hurokban vannak, a mágneses pólusok mindig N és S párban vannak. Ha egy mágneses mező vonal valahol belép a mágnesbe, el kell hagynia a mágnest valahol; Nem lehet végpont. Emiatt is, ha egy mágnest felére vágják, két különálló mágnes jön létre, amelyek mindegyike mind az északi, mind a déli pólusú.

A terepi vonalak szintén jó eszköz a mágneses erők megjelenítésére. Ha a ferromágneses anyagokban, például a vasban és a plazmákban a mágneses terekkel foglalkozunk, a mágneses erőket úgy lehet megérteni, hogy elképzeljük, hogy a mezővonalak feszültséget (például gumiszalagot) gyakorolnak hosszukban, és hosszukra merőleges nyomást gyakorolnak a szomszédos területeken mezővonalak. A mágnesek "eltérő" pólusai vonzódnak, mert sok terepi vonal kapcsolódik egymáshoz, míg a "tetszik" pólusok visszatükrözik, mert a közöttük lévő terepi vonalak nem találkoznak, hanem párhuzamosan futnak, egymásra nyomva.

A Föld mágneses tere

Vázlat a Föld mágneses mezőjéről a mágnesként ábrázolja a Föld mágneses mezőjét. A föld északi pólusa a diagram teteje közelében van, a déli pólus az alja közelében. Figyelem: a mágnes déli pólusa mélyen a Föld belsejében található, a Föld északi mágneses pólusa alatt. A Föld mágneses mezőjét a mag külső folyadékrészében hozza létre egy dinamó, amely ott áramot generál.

A Föld mágneses tere miatt egy iránytű a Földön bárhol elfordul, úgy hogy az iránytű mágnesének "északi pólusa" nagyjából észak felé mutat, a Föld északi mágneses pólusa felé Észak-Kanadában. Ez a mágnes "északi pólusának" hagyományos meghatározása, bár más egyenértékű meghatározások szintén lehetséges. Az egyik összetévesztés, amely ebből a meghatározásból fakad, hogy ha magát a Földet mágnesnek tekintik, akkor a déli ennek a mágnesnek a pólusa lenne az, amely közelebb van az északi mágneses pólushoz, és fordítva. (Az ellenkező pólusok vonzzák, és az iránytű mágnesének északi pólusát az északi mágneses pólus vonzza.) Az északi mágneses pólt nem az ottani mező polaritása miatt, hanem földrajzi elhelyezkedése miatt nevezték el.

A jobb oldali ábra a Föld mágneses mezőjének vázlata, amelyet mezővonalak képviselnek. A mágneses mező egy adott ponton nem mutat egyenesen a pólusok felé (vagy távol), és a legtöbb helynél jelentős fel / le komponense van. (Ezen felül van egy kelet / nyugati elem, mivel a Föld mágneses pólusai nem egyeznek pontosan a Föld geológiai pólusaival.) A mágneses mező olyan, mintha egy mágnes lenne a Föld belsejében.

A Föld mágneses tere valószínűleg annak a dinamónak köszönhető, amely magja külső folyadékrészében elektromos áramot generál. A Föld mágneses tere nem állandó: Erõssége és pólusának elhelyezkedése változó. A pólusok is periodikusan fordított irányba mutatnak, a geomágneses fordításnak nevezett folyamatban.

A mágneses mező hatása, B

A mágneses mezőnek sok hatása van az anyagokra és az egyes részecskékre. Mindezek a hatások kifejezhetők az alaptöltésekre és a mágneses dipolokra gyakorolt ​​hatása miatt. Négy alapvető módszer van arra, hogy a mágneses mező befolyásolja a töltést vagy a mágneses dipólt.

  1. Oldalirányban erő a mozgó töltésre vagy áramra
  2. Nyomaték egy mágneses dipóluson
  3. Erő a mágneses dipóra az egyenetlen B miatt
  4. Erő a töltésre a változó B miatt
A töltött részecske sodródik homogén mágneses mezőben. (A) Nincs zavaró erő (B) Elektromos mezővel, E (C) Független erővel, F (például gravitáció) (D) Nem homogén mágneses mezőben H fokozatú

A mozgó töltés mágneses mezőjének hatása

Erő egy töltött részecskére

A töltött részecske mágnesesen mozog mező fogja érezni a oldalt az erő, amely arányos a mágneses mező erősségével, a sebesség olyan elemével, amely merőleges a mágneses mezőre és a részecske töltésére. Ezt az erõt Lorentz-erõnek nevezik. Az erő mindig merőleges mind a részecske sebességére, mind az azt létrehozó mágneses mezőre. Sem a rögzített részecskék, sem a mágneses mező vonalai irányában mozgó részecskék nem érnek erőt. Ezért a töltött részecskék körben (vagy általában spirál formájában) mozognak a mágneses mező vonalai körül; ezt ciklotronmozgásnak nevezzük. Mivel a mágneses mező mindig merőleges a mozgásra, a mágneses mezők nem működhetnek egy töltött részecskén; önmagában a mágneses mező nem képes felgyorsítani vagy lelassítani a töltött részecskét. Megváltoztathatja és képes megváltoztatni a részecske irányát, még akkor is, ha az egyik irányba kifejtett erő a részecske merőleges irányban sodródását okozhatja.

Erő az áramvezető huzalon

Az áramot hordozó huzalra kifejtett erő hasonló a mozgó töltéshez, amint az várható volt, mivel a töltőt hordozó huzal mozgó töltések gyűjteménye. Az áramvezető huzal oldalirányú erőt fog érzékelni mágneses mező jelenlétében. A makroszkopikus áramot befolyásoló Lorentz-erőt gyakran a Laplaz erő.

A jobb oldali szabály: Hagyományos áram vagy mozgó pozitív töltés a jobb kéz hüvelykujja és a mágneses mező irányában az ujjak irányában (a tenyér felé mutatva), az áramra ható erő a tenyér felé irányul. Az erő irányát negatív töltés esetén megfordítják.

Az erő iránya

A pozitív töltésre vagy az áramra ható erő irányát a jobb oldali szabály határozza meg. Lásd a jobb oldali ábrát. A jobb kezét használva, és a hüvelykujját a mozgó pozitív töltés vagy a pozitív áram irányába mutatva, az ujjakat a mágneses mező irányában mutatva, az így létrejött töltőerő a tenyérből kifelé mutat. A negatív töltésű részecskére kifejtett erő ellenkező irányba mutat. Ha a sebesség és a töltés is megfordul, akkor az erő iránya változatlan marad. Ezért a mágneses mező mérése (önmagában) nem képes megkülönböztetni, hogy van-e pozitív töltés jobbra, vagy negatív töltés-balra. (Mindkettő azonos áramot fog előállítani.) Másrészt egy mágneses mező elektromos mezővel kombinálva tud különbséget tenni közöttük, lásd alább a Hall-effektust.

A jobbkezes szabály alternatív, hasonló trükkje Fleming balkezes szabálya.

Nyomaték egy mágneses dipóluson

A mágneses mezőbe helyezett mágnes nyomatékot fog érzékelni, amely megpróbálja a mágnest a mágneses mezőhöz igazítani. A külső mágneses mező mágnese nyomatékát könnyű megfigyelni, ha két mágnest egymáshoz közel helyeznek el, miközben lehetővé teszik az egyik forgását. Ez a mágneses nyomaték képezi az iránytű működésének alapját. A mágneses tér irányának meghatározására szolgál (lásd fent).

A mágneses nyomaték az egyszerű villanymotorok hajtónyomatékát is biztosítja. A forgó tengelyre helyezett mágnes (úgynevezett rotor) erős nyomatékot fog érezni, ha hasonló pólusokat helyeznek el a saját pólusuk közelében. Ha a forgást okozó mágnest - az úgynevezett állórészt - folyamatosan megforgatják úgy, hogy mindig hasonlóak legyenek a rotorhoz közeli pólusok, akkor a forgórész olyan nyomatékot generál, amely a tengelyre kerül. A rotor polaritása könnyen elcsúsztatható, ha ez egy elektromágnes, ha az áram irányát átcsúsztatja a tekercsein.

Lásd a lenti Forgó mágneses mezők példát, amely ezt a hatást használja elektromágnesekkel.

Erő a mágneses dipóra az egyenetlen B miatt

A mágneses mező leggyakrabban tapasztalható hatása a két mágnes közötti erő: Mint a pólusok megtámadják, és az ellentétek vonzzák. Valójában ezt az erőt kifejezhetjük a két mágnes pólushelyének és erőinek (vagy általánosságban póluseloszlásának) alapján, amelyek vonzzák és visszatükrözik egymást. Ezt a modellt "Gilbert modellnek" hívják, és mind a két mágnes között a helyes erőt és a helyes erőt hozza létre mező a mágneseken kívül, de a hibás mágneses mező belül a mágnesek. (Noha a Gilbert-modell bizonyos kontextusokban használható matematikai modellként, a „pólusok” gondolata nem tükrözi pontosan, hogy mi történik egy mágnesen belül; lásd a ferromagnetizmust.)

A fizikailag pontosabb kép azon az alapvető tényen alapul, hogy a mágneses dipólus erőt érez, amikor egy a nem egyenletes külső mágneses mező. (Egységes mezőben nyomatékot tapasztal, de nem erőlteti.) Az egyik mágnes déli pólusa egy másik mágnes északi pólusához vonzódik, mert az a különös módszer, ahogyan az egyik mágnes mikroszkopikus dipóliája reagál a nem - a másik mágnes egységes területe.

A mágneses dipóllel szembeni erő nem függ közvetlenül a mágnes erősségétől vagy irányától mező, de csak az, hogy ezek hogyan változnak a helytől függően. A mágnes mozog, hogy maximalizálja a mágneses teret a mágneses momentuma irányában.

Vigyázni kell arra, hogy megkülönböztessük a mágneses dipóluson mágneses erőt a mozgó töltés mágneses erőjétől. A töltés mágneses erő csak akkor lép fel, amikor a töltés mozog, és oldalirányban van. Ez érzékelhető mind egyenletes, mind nem egyenletes mágneses mezőkre. A dipóllel szembeni mágneses erő viszont csak nem egyenletes (űrben) mezőkben van jelen, és abban az irányban van, amely növeli a mágneses mező komponensét a dipólus mágneses momentumával párhuzamos irányban. A mágneses dipóra gyakorolt ​​erő sem függ a sebességétől (kivéve a fénysebességhez közeledő sebességeket).

Elektromos erő a változó B miatt

Ha a mágneses mező egy adott időben változik, akkor egy elektromos mezőt hoz létre, amely zárt hurkokat képez a terület körül. Egy olyan vezetékes vezetéknél, amely egy zárt hurkot képez a terület körül, indukált feszültsége lesz ennek a változó mágneses mezőnek. Ezt a hatást matematikailag Faraday törvényének tekintik, és számos generátor alapját képezik. Vigyázni kell arra, hogy megértsük, hogy a változó mágneses mező forrást jelent a kiterjedt elektromos mező. A változó mágneses mező nem csak elektromos mezőt hoz létre ezen a helyen; inkább olyan elektromos mezőt generál, amely zárt hurkokat képez annak a helynek a körül, ahol a mágneses mező változik.

Matematikai szempontból a Faraday-törvényt leggyakrabban a mágneses fluxus időbeli változásának tükrében reprezentálják. A mágneses fluxus a zárt hurok (mondjuk egy huzaltekercs) tulajdonsága, és a terület normál mágneses mezőjének hányadosa. A mérnökök és a fizikusok gyakran használják a mágneses fluxust a hurok (ok) kényelmes fizikai tulajdonságaként. Ezután kifejezik a mágneses mező, mint egy egységnyi mágneses fluxus. Ez az oka annak, hogy a A mezőt gyakran "mágneses fluxussűrűségnek" nevezik. Ennek a megközelítésnek az az előnye, hogy bizonyos számításokat, például a mágneses áramkörökben, megkönnyíti. Általában nem az elektromos áramkörökön kívül használják, mert a mágneses A mező valóban az "alapvető" mennyiség, mivel közvetlenül összeköti az összes elektrodinamikát a legegyszerűbb módon.

A mágneses mezők forrásai

A mágneses mezők sokféle módon létrehozhatók. Mindezek a mágnesek létrehozásának három alapvető módszerén alapulnak mező.

  1. Elektromos áramok (mozgó töltések)
  2. Mágneses dipolok
  3. Változó elektromos mező

Úgy gondolják, hogy ezek a források befolyásolják a mezőt alkotó virtuális részecskéket.

Elektromos áramok (mozgó töltések)

Minden mozgó töltés mágneses teret eredményez.4 A mozgó töltés mágneses tere nagyon bonyolult, de jól ismert. (Lásd Jefimenko egyenleteit.) Zárt hurkokat képez egy vonal körül, amely a töltés mozgó irányába mutat. Az áram mágneses tere viszont sokkal könnyebben kiszámítható.

Állandó áram mágneses tere

Jelenlegi (ÉN) egy huzalon keresztül mágneses mezőt hoz létre () a huzal körül. A mező a jobb oldali markolat szabálya szerint van orientálva.

A mágneses mező által generált állandó áram (a töltések folyamatos áramlását, például egy huzalon keresztül, amely időben állandó, és amelyben a töltés semmilyen ponton sem épül fel, sem pedig kimerül) a Biot-Savart törvény írja le.5 Ez Ampere törvényének következménye, amely egyike annak a négy Maxwell-egyenletnek, amely leírja az elektromosságot és a mágnesességet. Az áramot hordozó huzal által generált mágneses mező vonalak koncentrikus köröket képeznek a huzal körül. A hurok mágneses tere irányát a jobb oldali markolat szabály határozza meg. (Lásd a jobb oldali ábrát.) A mágneses mező erőssége a huzaltól való távolságra csökken.

Az áramvezető huzal egy hurokba hajlítható úgy, hogy a mező a hurok belsejében koncentrálódjon (és ugyanabba az irányba). A mező a hurokon kívül gyengébb lesz. Sok ilyen hurok egymásra rakása mágnesszelep (vagy hosszú tekercs) kialakításához nagyban megnövelheti a mágneses teret a közepén, és csökkentheti a mágneses teret a mágnesszelepen kívül. Az ilyen eszközöket elektromágneseknek hívják, és rendkívül fontosak az erős és jól irányított mágneses mezők létrehozásában. A végtelen hosszúságú mágnesszelepnek egységes mágneses tere van a hurkok belsejében, és nincs mágneses tere kívül. A véges hosszúságú elektromágnes lényegében ugyanazt a mágneses mezőt hozza létre, mint az azonos alakú és méretű egységes állandó mágnes. Az elektromágneseknek azonban az az előnye, hogy az erősségét egyszerűen megváltoztathatja (akár egy ellentétes irányú teret is létrehozhat), egyszerűen a bemeneti áram szabályozásával. Az egyik fontos alkalmazás az állandó elektromágnes polaritásának folyamatos kapcsolása, hogy a forgó állandó mágnes folyamatosan forogjon, azzal a ténnyel, hogy az ellenkező pólusok vonzódnak, és a pólusok visszatükröződnek. Ez felhasználható egy fontos típusú elektromos motor létrehozására.

Mágneses dipolok

Mágneses mező vonalak egy „magnetosztatikus dipólus” körül, maga a mágneses dipólus közepén van, és oldalról nézve látható.

Az állandó mágnesek mágneses tere jól ismert. (Lásd a cikk első ábráját.) De mi okozza az állandó mágnesek mágneses mezőjét? A válasz ismét az, hogy a mágneses teret alapvetően az áramlatok képezik. De ezúttal annak oka, hogy a mágneses anyag magjait keringő sok kis elektron "áram" halmozódik fel. Alternatív megoldásként maga az elektron szerkezete okozhatja, amely bizonyos értelemben úgy tekinthető, mint egy apró áramkör. (Az elektron mágneses mezőjének valódi természete relativista jellegű, de ez a modell gyakran működik.) Mindkét apró hurkot a mágneses dipólusnak megfelelően modelleztük. Ennek a dipólnak a dipólmomentumát meghatározhatjuk a hurok területének aktuális szorzataként, majd az e mágneses dipólus miatti mágneses mező egyenlete levezethető. (Lásd a fenti képet, hogy néz ki ez a mágneses mező.) Egy nagyobb mágnes mágneses tere kiszámítható, ha összekapcsolják a mágneses mezők mágneses tereit.

Változó elektromos mező

A mágneses mezők ismert ismert forrása a változó elektromos mező. Ahogy a változó mágneses mező elektromos mezőt generál, úgy a változó elektromos mező generálja a mágneses mezőt is. (Ez a két hatás együtt indul el, hogy elektromágneses hullámokat képezzen, mint például a fény.) Hasonlóan ahhoz, ahogyan a mágneses mező vonalai szoros hurkokat képeznek egy áram körül, egy időben változó elektromos mező mágneses mezőt hoz létre, amely zárt hurkokat képez annak a régiónak a környékén, ahol az elektromos mező található. változik. Ennek a mágneses mezőnek az erőssége arányos az elektromos mező megváltozásának időtartamával (amelyet elmozdulási áramnak hívnak).6 Az a tény, hogy a változó elektromos mező mágneses mezőt hoz létre, Maxwell Ampere-törvénynek megfelelő korrekciója.

Mágneses monopol (hipotetikus)

A mágneses monopol egy hipotetikus részecske (létezhet, vagy nem létezik). A mágneses monopóliumnak, amint a neve is sugallja, csak egy pólusa lenne. Más szavakkal, az elektromos töltéssel analóg "mágneses töltéssel" rendelkezik. A pozitív mágneses töltés egy elkülönített északi pólusnak, a negatív mágneses töltés pedig egy elkülönített déli pólusnak felel meg.

A modern iránti érdeklődés e koncepció iránt a részecskeelméletekből származik, nevezetesen a Grand Unified elméletekből és a felső vezetési elméletekből, amelyek előre jelezik a mágneses monopólok létezését vagy lehetőségét. Ezek az elméletek és a többiek elmélete inspirálta a monopóliumok keresésére irányuló erőfeszítéseket. Ezen erőfeszítések ellenére máig nem figyeltek meg mágneses monopolt. (Két kísérlet olyan jelölt eseményeket hozott létre, amelyeket eredetileg monopóliumként értelmeztek, de ezeket most nem tekintik meggyőzőnek. A részleteket és a referenciákat lásd a mágneses monopolben.)

A B meghatározása és matematikai tulajdonságai

Számos különböző, de fizikailag azonos módszer létezik a mágnes meghatározására mező. Elvileg a mágneses mezőből vagy a mágneses mező bármely forrásából származó fenti hatások bármelyike ​​felhasználható a nagyságának és irányának meghatározására. Útmutatása egy adott ponton úgy tekinthető, hogy az a hipotetikus a szabadon forgó kis teszt-dipólus pont felé fordulna, ha megáll voltak helyezni arra a pontra. Ennek nagyságát (SI-egységekben) az áramhordozó hurokon egy egységnyi területre indukált feszültség alapján határozzuk meg, egy egységes mágneses mezőben, amely a hurok számára normális, amikor a mágneses teret nullára csökkentik egy időtartam alatt. A mágneses mező SI mértékegysége a Tesla.

A mágneses mező vektor egy álszektor, amelyet axiális vektornak is nevezünk. (Ez egy műszaki nyilatkozat arról, hogyan viselkedik a mágneses mező, amikor tükrözi a világot.) Ez a tény a mező sok meghatározásából és tulajdonságából kitűnik; Például, a mező nagysága arányos a dipólián lévő nyomatékkal, a nyomaték pedig egy jól ismert pszeudovektor.

Maxwell egyenletei

Mint fentebb tárgyaltuk, a mágneses mező vektormező. (A mágneses mezőt a térben és az idő minden pontjában a saját vektore képviseli.) Vektoros mezőként a mágneses mezőnek két fontos matematikai tulajdonsága van. Ezek a tulajdonságok, valamint az elektromos mező megfelelő tulajdonságai képezik a Maxwell-egyenleteket.

Az első az, hogy a mágneses A mező soha nem kezdődik és nem fejeződik be egy ponton. Bármely mágneses mező vonala is belép egy régióba, annak végül el kell hagynia ezt a régiót. Ez matematikailag megegyezik azzal, hogy azt mondják, hogy a mágnes eltérése nulla. (Az ilyen vektormezőket solenoidális vektormezőknek nevezzük.) Ezt a tulajdonságot Gauss-féle mágnesesség-törvénynek nevezzük, és ez az egyik Maxwell-egyenlet. Ez azzal egyenértékű azzal a kijelentéssel is, hogy nincsenek mágneses monopóliumok (lásd fent).

A mágneses mező második matematikai tulajdonsága az, hogy mindig hurokba kerül a létrehozó forrás körül. Ez a forrás lehet áram, mágnes vagy változó elektromos mező, de mindig az általuk létrehozott mágneses mező hurkán belül van. Matematikailag ezt a tényt az Ampère-Maxwell egyenlet írja le.

A mágneses B mező mérése

A mágnesek mérésének számos módja van mező, amelyek közül sok a fent leírt hatásokat használja. A helyi mágneses mező mérésére használt eszközöket magnetométereknek nevezzük. A fontos magnetométerek között szerepel egy forgó tekercs, Hall-effektusú magnetométer, NMR-magnetométer, SQUID-magnetométer és egy fluxusos magnetométer. A távoli csillagászati ​​tárgyak mágneses tereit úgy lehet meghatározni, hogy megjegyezzük a helyi töltésre gyakorolt ​​hatásaikat

Pin
Send
Share
Send