Magnetické pole je neviditeľné fyzikálne pole generované pohybom elektrických nábojov, magnetických materiálov alebo meniacim sa elektrickým poľom, ktoré môžu vyvíjať silu na magnetické materiály alebo pohybovať elektrické náboje. Je to vektorové pole s veľkosťou a smerom a často sa meria z hľadiska magnetickej indukcie. Magnetické pole okolo magnetu priťahuje železné podania, zatiaľ čo magnetické pole okolo drôtu prenášajúceho prúd môže odvrátiť kompasovú ihlu. Magnetické pole súvisí s elektrickým poľom a meniace sa elektrické pole môže generovať magnetické pole (Maxwellove rovnice) a naopak, čo je jedným z základných základov elektromagnetických javov.
Pôvod magnetického poľa
Magnetické pole je fyzikálny jav spôsobený pohybom elektrických nábojov alebo elektrickým poľom, ktoré sa v priebehu času mení. Pôvod magnetického poľa bol vždy dôležitou témou výskumu pre vedcov. Súvisí s naším chápaním fyzického sveta a dá sa pochopiť na mikroskopických aj makroskopických úrovniach.
Mikroúrovňa
Magnetické polia pochádzajú z pohybu nabitých častíc a kvantových mechanických vlastností na mikroskopickej úrovni. Kvantová elektrodynamika ukazuje, že točenie nabitých častíc generuje mikroskopické magnetické momenty. Keď sú tieto magnetické momenty objednané v materiáli, materiál vykazuje makroskopický magnetizmus. Okrem toho smerový pohyb voľných elektrónov vo vodiči generuje obklopujúce magnetické pole podľa zákona Biot-Savart. Na hlbšej úrovni je magnetické pole súčasťou elektromagnetického poľa a spolu s elektrickým poľom tvorí tenzorový opis elektromagnetického poľa.
Makroúrovňa
Magnetické pole je vektorové pole so smerom a veľkosťou a jeho distribúcia je možné opísať pomocou magnetických tokových čiar. Magnetické pole Zeme je typické makroskopické magnetické pole, ktoré pochádza z konvekcie zliatiny kvapalného železa-a-a-a-zliatiny v jadre Zeme. V astrofyzike sa komplexné magnetické polia tvoria separáciou a rotáciou plazmatických nábojov. V inžinierstve môžu byť špecifické magnetické polia skonštruované usporiadaním solenoidových cievok alebo trvalých magnetov. Všetky tieto makroskopické magnetické polia sledujú klasické elektromagnetické zákony Maxwellových rovníc.
Čo je magnetické pole?
Vo svete okolo nás je skrytá neviditeľná, ale skutočná sila -dokáže udržať kompas smerujúci na sever, rýchlo sa točiť elektrickým motorom a dokonca chrániť život na Zemi pred kozmickým žiarením. Táto magická sila pochádza z magnetického poľa.
Definícia magnetického poľa
Magnetické pole je špeciálne fyzické pole, ktoré existuje okolo magnetu alebo sa generuje, keď elektrický prúd prechádza vodičom. Môže vyvíjať silu na iné magnety alebo pohybovať elektrické náboje.
Základné vlastnosti magnetických polí
1. Silný vplyv na magnety a elektrické prúdy
Najvýznamnejšou črtou magnetického poľa je to, že môže uplatňovať silu. Dva magnety sa navzájom priťahujú alebo odrazia, keď sú blízko seba, drôt prenášajúci prúd bude pôsobiť ampérou silou v magnetickom poli a na tomto princípe pracujú elektrické motory a generátory.
2. SmerovanieMagnetickýField
Magnetické polia sú smerové a obvykle sú opísané líniami magnetického toku. Tangentný smer magnetických línií toku označuje smer magnetického poľa v tomto bode, zatiaľ čo hustota riadkov magnetického toku odráža pevnosť magnetického poľa. Čiary magnetického toku tyčového magnetu začínajú od pólu N a vracajú sa na stĺp S.
3. SuperpozíciaMagnetickýFields
Ak je vo vesmíre viac zdrojov magnetického poľa, magnetické polia, ktoré generujú, sa na seba prekrývajú, aby vytvorili kombinované magnetické pole. Táto vlastnosť nám umožňuje vypočítať distribúciu magnetického poľa komplexných elektromagnetických systémov.
Ako sa generujú magnetické polia?
Generovanie magnetického poľa je dôležitým javom vo fyzike, ktorý úzko súvisí s pohybom elektrických nábojov. Pôvod magnetického poľa je možné vysledovať až po pohyb elektrických nábojov. Či už ide o pohyb mikroskopických častíc alebo tok makroskopického prúdu, môže stimulovať magnetické pole.
Elektrický prúd generuje magnetické pole
Magnetický pole lineárneho prúdu: Okolo vodiča prenášajúceho prúd sa generuje magnetické pole. Jeho smer sleduje pravidlo pravej skrutky. Magnetické línie sily sú sústredné kruhy. Čím bližšie k vodičovi, tým silnejšie je magnetické pole. Vzorec intenzity je b =2 πrμ 0 i.
Magnetickýpole kruhového prúdu: Podobné amagnet, magnetické pole strednej osi je pozdĺž smeru osi a intenzita sa dá vyriešiť integráciou zákona o biote-savart, ktorý sa často používa na zaostrenie elektrónového lúča.
Magnetické pole solenoidového prúdu: Keď je solenoid pod napätím, vnútorné magnetické pole je silné a jednotné a smer je pozdĺž osi. Vzorec pevnosti je b {{0}} μ0ni. Všeobecne sa používa v elektromagnetoch a iných zariadeniach na prilákanie feromagnetických materiálov na riadenie mechanických zariadení.
Magnetické materiály generujú magnetické polia
Prirodzenýmagnetickýmpodniky:Zem je obrovský magnet a jej magnetické pole je generované hlavne prúdom vonkajšieho jadra kvapalného jadra, ktorý hrá dôležitú úlohu pri biologickej migrácii a ochrane proti kozmickým lúčom. Magnetit je prírodný magnetický materiál so spontánnym magnetizačným javom, ktorý sa v staroveku použil na navigáciu kompasu.
Umelýmagnetickýmpodniky: Trvalé magnety, ako napríkladMagnety z neodymia železa bóru, ktoré sa vyrábajú vysokoteplotným spekaním a inými procesmi, aby sa zarovnali magnetické momenty a generovali stabilné magnetické pole.
Zmena elektrických polí generujú magnetické polia
Maxwell-FaradaylAW:Zmena magnetického toku v uzavretom obvode generuje indukovanú elektromotívnu silu a prúd. Transformátor používa striedavý prúd primárnej cievky na generovanie meniaceho sa magnetického poľa a sekundárna cievka indukuje elektromotívnu silu a prúd na dosiahnutie konverzie napätia.
Propagáciaelektromagnetickýwaves: Elektromagnetické vlny sa šíria vo vesmíre interakciou časovo premenlivých elektrických a magnetických polí a šíria sa vo vákuu rýchlosťou svetla. Rádiové vlny sú generované rýchlo sa meniacim prúdom v vysielacej anténe, čím sa tvoria meniace sa elektrické a magnetické polia, ktoré interagujú a šíria sa na vzdialené miesta.
Ako merajú magnetické polia?
Existuje mnoho spôsobov, ako merať magnetické polia. Nasledujú bežné techniky merania magnetického poľa.
Pomocou magnetometra
Magnetometer je prístroj, ktorý sa špecificky používa na meranie sily magnetického poľa. Detekuje účinok magnetického poľa na nosiče náboja vo vodiči alebo polovodiče prenášajúcom prúd, generuje halové napätie úmerné sile magnetického poľa, a tak vypočítava silu magnetického poľa. Prístroj je jednoduchý na prevádzku a má vysokú presnosť merania.
Pomocou toku merača
Fluxmeter je založený na Faradayovom zákone elektromagnetickej indukcie. Nepriamo meria magnetický tok detekciou indukovanej elektromotívnej sily cievky a potom určuje distribúciu magnetického poľa. Často sa používa na meranie rovnomernosti magnetického poľa, detekciu distribúcie magnetického poľa a na štúdium charakteristík magnetických materiálov.
ElektrónBeamDeflexiaMetod (SuSmimoriadnyEprostredieSuch akoLporušenia)
Vychýlenie elektrónových lúčov je metóda merania magnetického poľa s vysokou presnosťou v laboratóriu. Jeho princípom je použiť Lorentzovu silu magnetického poľa na elektronoch na odklon elektrónového lúča. Magnetické pole sa vypočíta meraním uhla vychýlenia a známymi parametrami, ako je elektrónová rýchlosť.
ČímByťFaktory, ktoré ovplyvňujú magnetické pole?
Faktory, ktoré ovplyvňujú magnetické pole, zahŕňajú hlavne nasledujúce:
Súčasný faktor
Veľkosť prúdu je úmerná pevnosti magnetického poľa. Keď sa zvyšuje prúd v solenoide, zvyšuje sa magnetické pole a adsorpčná kapacita. Keď sa zmení prúdový smer, zmení sa aj smer magnetického poľa, čo môže zmeniť smer magnetických pólov elektromagnetu. Súčasná cesta ovplyvňuje distribúciu magnetického poľa. Rovný prúd vytvára sústredné magnetické polia a kruhový prúd vytvára magnetické pole pozdĺž os na osi. Jeho sila súvisí so prúdom a polomerom.
Magnetické materiály
Typ, tvar a stupeň magnetizácie magnetických materiálov ovplyvnia ich vlastnosti magnetického poľa. Mäkké magnetické materiály sa dajú ľahko magnetizovať a demagnetizovať a často sa používajú v transformátoroch; Tvrdé magnetické materiály majú vysokú nátlačenie a je ťažké ich demagnetizovať a väčšinou sa používajú v stálych magnetoch. Tvar materiálu ovplyvní aj distribúciu magnetického poľa. Magnetické pole tyčového magnetu je koncentrované na obidvoch koncoch, zatiaľ čo magnetické pole kruhového magnetu je distribuované vnútri aj zvonka. Čím vyšší je stupeň magnetizácie, tým väčšia je sila magnetického poľa. Magnetické pole je možné upraviť zmenou počtu zákrut a prúdu elektromagnetovej cievky tak, aby vyhovovala rôznym potrebám.
Vonkajšie faktory
Zvýšenie teploty oslabí magnetický materiál a trvalé magnety stratia magnetizmus pri vysokých teplotách. Vonkajšie magnetické polia budú interferovať s pôvodným magnetickým poľom, zvýšia ho rovnakým smerom a znižujú ho v opačnom smere. Tento princíp využíva technológiu elektromagnetického tienenia. Mechanické napätie môže tiež zmeniť vlastnosti magnetického poľa magnetických materiálov.
Ako vidíme sily v magnetických poliach?
Magnetické pole je neviditeľný fyzikálny jav, ktorý existuje okolo magnetov a vodičov, ktoré nesú elektrinu. Aj keď nevidíme magnetické pole priamo s našimi voľnými očami, prostredníctvom niektorých šikovných experimentálnych metód môžeme nepriamo „vidieť“ sily v magnetickom poli a preskúmať jeho zákony.
Použitie magnetu a železných piliet (vizualizácia riadkov magnetického poľa)
Magnetické línie poľa sú nástrojom na opis distribúcie magnetických polí a môžu intuitívne ukazovať smer a pevnosť magnetického poľa. Keď sú železné podania rozptýlené okolo tyčového magnetu, budú usporiadané pozdĺž línie magnetického poľa, smerujúce od pólu N k pólu S na vonkajšej strane a od pólu S späť k pólu N vo vnútri, čím sa vytvorí uzavretá slučka. Železné podania sú husté v blízkosti magnetických pólov a magnetické pole je silné, zatiaľ čo železné podania sú riedke v strednej oblasti a magnetické pole je slabé. Tento jav živo demonštruje distribučný zákon magnetického poľa.
Sledujte interakciu medzi magnetmi
Sila medzi magnetmi sa prejavuje ako póly, ktoré sa navzájom odpudzujú a na rozdiel od pólov, ktoré sa navzájom priťahujú, a veľkosť sily sa zvyšuje so znižovaním vzdialenosti. Prostredníctvom dynamometra pružiny je možné pozorovať, že čítanie sa zvyšuje, keď sú ako póly blízko seba, a čítanie klesá, keď sú na rozdiel od pólov blízko seba. Magnetická poľná sila je vektor a jeho smer je pozdĺž čiary spájajúcej póly. Veľkosť závisí od sily magnetizmu a vzdialenosti.
Pomocou pohybu elektrického prúdu v magnetickom poli
Ak je elektrický prúd v magnetickom poli, pôsobí na ňom ampérou, ktorá je kolmá na smer prúdu a magnetického poľa a môže byť určená pravou rukou. Veľkosť ampérickej sily je úmerná prúdu, pevnosti magnetického poľa a dĺžke drôtu. Pomocou tohto princípu sa môžu zariadenia, ako sú motory, vyrábať na premenu elektrickej energie na mechanickú energiu.
Praktické aplikácie magnetických polí
V priemysle elektrickej energie:Generátory a transformátory používajú zásadu elektromagnetickej indukcie na dosiahnutie vzájomnej premeny elektrickej energie a mechanickej energie.
LekárskyfIeld:Zobrazovanie magnetickej rezonancie (MRI) používa silné magnetické polia na získanie obrazov vysokého rozlíšenia interiéru ľudského tela, čo z neho robí dôležitý nástroj na diagnostiku choroby.
Vtermstvýkupné:Vlaky Maglev sa spoliehajú na odpudivú silu generovanú magnetickým poľom, aby sa dosiahla bezkontaktná vysokorýchlostná prevádzka, čo výrazne znižuje straty trenia.
Zhrnúť
Ako jedna zo základných prírodných síl hrá magnetické pole dôležitú úlohu od mikroskopických častíc po kozmické meradlo. Pochopenie magnetických polí nám nielen pomáha ovládať princípy modernej vedy a techniky, ale tiež nám pomáha lepšie porozumieť fyzickému svetu, v ktorom žijeme. S rozvojom vedy o materiáloch a kvantovej technológii bude perspektívy aplikácií magnetických polí v oblasti energie, medicíny, informačných technológií a iných oblastí širší.