Un câmp magnetic este un câmp fizic invizibil generat de mișcarea sarcinilor electrice, a materialelor magnetice sau a schimbării câmpurilor electrice, care pot exercita o forță asupra materialelor magnetice sau a sarcinilor electrice în mișcare. Este un câmp vectorial cu mărime și direcție și este adesea măsurat în termeni de inducție magnetică. Câmpul magnetic din jurul unui magnet atrage fișiere de fier, în timp ce câmpul magnetic din jurul unui fir de curent poate devia un ac de busolă. Câmpul magnetic este legat de câmpul electric, iar un câmp electric în schimbare poate genera un câmp magnetic (ecuațiile lui Maxwell) și invers, care este unul dintre fundamentele de bază ale fenomenelor electromagnetice.
Originea câmpului magnetic
Câmpul magnetic este un fenomen fizic cauzat de mișcarea sarcinilor electrice sau de un câmp electric care se schimbă în timp. Originea domeniului magnetic a fost întotdeauna un subiect important de cercetare pentru oamenii de știință. Este legată de înțelegerea noastră asupra lumii fizice și poate fi înțeleasă atât la nivel microscopic, cât și la nivel macroscopic.
Nivel micro
Câmpurile magnetice provin din mișcarea particulelor încărcate și a proprietăților mecanice cuantice la nivel microscopic. Electrodinamica cuantică arată că rotirea particulelor încărcate generează momente magnetice microscopice. Când aceste momente magnetice sunt comandate într -un material, materialul prezintă magnetism macroscopic. În plus, mișcarea direcțională a electronilor liberi într-un conductor generează un câmp magnetic înconjurător în conformitate cu legea biot-savart. La un nivel mai profund, câmpul magnetic face parte din câmpul electromagnetic și, împreună cu câmpul electric, formează o descriere a tensiunii câmpului electromagnetic.
Nivel macro
Un câmp magnetic este un câmp vectorial cu direcție și mărime, iar distribuția acestuia poate fi descrisă prin linii de flux magnetic. Câmpul magnetic al Pământului este un câmp magnetic macroscopic tipic, provenind din convecția aliajului lichid de fier-nichel din miezul Pământului. În astrofizică, câmpurile magnetice complexe sunt formate prin separarea și rotirea sarcinilor plasmatice. În inginerie, câmpurile magnetice specifice pot fi construite prin aranjarea bobinelor solenoide sau a magneților permanenți. Aceste câmpuri magnetice macroscopice respectă toate legile electromagnetice clasice ale ecuațiilor lui Maxwell.
Ce este un câmp magnetic?
Există o forță invizibilă, dar reală, ascunsă în lumea din jurul nostru -poate păstra o busolă îndreptată spre nord, să facă un motor electric să se învârtă rapid și chiar să protejeze viața pe Pământ de radiațiile cosmice. Această putere magică provine din câmpul magnetic.
Definiția Magnetic Field
Un câmp magnetic este un câmp fizic special care există în jurul unui magnet sau este generat atunci când un curent electric trece printr -un conductor. Poate exercita o forță asupra altor magneți sau a sarcinilor electrice în mișcare.
Proprietăți de bază ale câmpurilor magnetice
1. Efect puternic asupra magneților și curenților electrici
Cea mai notabilă caracteristică a unui câmp magnetic este aceea că poate exercita o forță. Doi magneți se vor atrage sau se vor respinge reciproc atunci când vor fi strânși, un fir cu curent va fi acționat de forța ampere într-un câmp magnetic, iar motoarele electrice și generatoarele lucrează pe acest principiu.
2. Directivitate aMAgnetFied
Câmpurile magnetice sunt direcționale și sunt de obicei descrise de linii de flux magnetic. Direcția tangentă a liniilor de flux magnetic indică direcția câmpului magnetic în acel moment, în timp ce densitatea liniilor de flux magnetic reflectă rezistența câmpului magnetic. Liniile de flux magnetic ale unui magnet de bare pornesc de la polul N și se întorc la polul S.
3. SuperpozițiaMAgnetFcâmpuri
Dacă există mai multe surse de câmp magnetic în spațiu, câmpurile magnetice pe care le generează se vor suprapune unul pe celălalt pentru a forma un câmp magnetic combinat. Această proprietate ne permite să calculăm distribuția câmpului magnetic a sistemelor electromagnetice complexe.
Cum sunt generate câmpurile magnetice?
Generarea câmpului magnetic este un fenomen important în fizică, care este strâns legat de mișcarea sarcinilor electrice. Originea câmpului magnetic poate fi urmărită în mișcarea sarcinilor electrice. Indiferent dacă este mișcarea particulelor microscopice sau fluxul de curent macroscopic, poate stimula un câmp magnetic.
Curentul electric generează câmp magnetic
Magnetic câmpul unui curent liniar: Un câmp magnetic este generat în jurul unui conductor care transportă curent. Direcția sa respectă regula șurubului din dreapta. Liniile magnetice de forță sunt cercuri concentrice. Cu cât este mai aproape de dirijor, cu atât câmpul magnetic este mai puternic. Formula de intensitate este B =2 πrμ 0 i.
Un magneticcâmpul curentului circular: Similar cu amagnet de bar, Câmpul magnetic al axei centrale este de-a lungul direcției axei, iar intensitatea poate fi rezolvată prin integrarea legii Biot-Savart, care este adesea folosită pentru focalizarea fasciculului de electroni.
Câmpul magnetic al curentului solenoidului: Când solenoidul este alimentat, câmpul magnetic intern este puternic și uniform, iar direcția este de -a lungul axei. Formula de rezistență este B {{0}} μ0ni. Este utilizat pe scară largă în electromagnete și alte echipamente pentru a atrage materiale ferromagnetice pentru a controla dispozitivele mecanice.
Materialele magnetice generează câmpuri magnetice
NaturalmAgnetmAteriale:Pământul este un magnet imens, iar câmpul său magnetic este generat în principal de curentul de miez exterior lichid, care joacă un rol important în migrația biologică și protecția împotriva razelor cosmice. Magnetita este un material magnetic natural cu un fenomen de magnetizare spontană, care a fost utilizat pentru navigarea busolei în cele mai vechi timpuri.
ArtificialmAgnetmAteriale: Magneți permanenți, cum ar fimagneți de bor de fier de neodim, care sunt realizate prin sinterizare la temperatură ridicată și alte procese pentru a alinia momentele magnetice și a genera un câmp magnetic stabil.
Schimbarea câmpurilor electrice generează câmpuri magnetice
Maxwell-FaradaylAW:Schimbarea fluxului magnetic într -un circuit închis generează o forță electromotivă indusă și un curent. Transformatorul folosește curentul alternativ al bobinei primare pentru a genera un câmp magnetic în schimbare, iar bobina secundară induce forța electromotivă și curentul pentru a obține conversia tensiunii.
PropagareaeLectromagneticwAVES: Undele electromagnetice se propagă în spațiu prin interacțiunea câmpurilor electrice și magnetice variabile în timp și se propagă în vid la viteza luminii. Undele radio sunt generate de curentul care se schimbă rapid în antena de transmitere, formând schimbarea câmpurilor electrice și magnetice, care interacționează și se propagă în locuri îndepărtate.
Cum măsurăm câmpurile magnetice?
Există multe modalități de a măsura câmpurile magnetice. Următoarele sunt tehnici comune de măsurare a câmpului magnetic.
Folosind un magnetometru
Un magnetometru este un instrument utilizat special pentru a măsura rezistența câmpului magnetic. Detectează efectul câmpului magnetic asupra purtătorilor de încărcare într-un conductor sau semiconductor de curent, generează o tensiune a holului proporțională cu rezistența câmpului magnetic și, astfel, calculează rezistența câmpului magnetic. Instrumentul este simplu de operat și are o precizie de măsurare ridicată.
Folosind un contor de flux
Fluxmetrul se bazează pe legea lui Faraday de inducție electromagnetică. Măsoară indirect fluxul magnetic prin detectarea forței electromotive induse a bobinei și apoi determină distribuția câmpului magnetic. Este adesea utilizat pentru a măsura uniformitatea câmpului magnetic, pentru a detecta distribuția câmpului magnetic și a studia caracteristicile materialelor magnetice.
ElectronBeamDeflexiuneMEtod (Sutabil pentruSPecificEnvironmentSUch ASLAboratorii)
Deflectarea fasciculului de electroni este o metodă de măsurare a câmpului magnetic de înaltă precizie în laborator. Principiul său este să folosească forța Lorentz a câmpului magnetic pe electroni pentru a devia fasciculul de electroni. Rezistența câmpului magnetic este calculată prin măsurarea unghiului de deviere și a parametrilor cunoscuți, cum ar fi viteza electronilor.
CeSuntFactorii care afectează câmpul magnetic?
Factorii care afectează câmpul magnetic includ în principal următoarele:
Factor curent
Mărimea curentului este proporțională cu puterea câmpului magnetic. Când curentul din solenoid crește, câmpul magnetic și capacitatea de adsorbție cresc. Când direcția curentă se schimbă, direcția câmpului magnetic se schimbă și, ceea ce poate modifica direcția polilor magnetici ai electromagnetului. Calea curentă afectează distribuția câmpului magnetic. Curentul drept produce câmpuri magnetice concentrice, iar curentul circular produce un câmp magnetic de -a lungul axei pe axă. Puterea sa este legată de curent și rază.
Materiale magnetice
Tipul, forma și gradul de magnetizare a materialelor magnetice vor afecta caracteristicile câmpului lor magnetic. Materialele magnetice moi sunt ușor de magnetizat și de demagnetizat și sunt adesea utilizate în transformatoare; Materialele magnetice dure au o coercitivitate ridicată și sunt dificil de demagnetizat și sunt utilizate mai ales în magneți permanenți. Forma materialului va afecta și distribuția câmpului magnetic. Câmpul magnetic al unui magnet de bară este concentrat la ambele capete, în timp ce câmpul magnetic al unui magnet inelar este distribuit în interior și în exterior. Cu cât gradul de magnetizare este mai mare, cu atât este mai mare rezistența câmpului magnetic. Rezistența câmpului magnetic poate fi ajustată modificând numărul de rotații și curentul bobinei electromagnet pentru a răspunde nevoilor diferite.
Factori externi
Creșterea temperaturii va slăbi materialul magnetic, iar magneții permanenți vor pierde magnetismul la temperaturi ridicate. Câmpurile magnetice externe vor interfera cu câmpul magnetic original, crescând -o în aceeași direcție și scăzând -o în direcția opusă. Tehnologia de protecție electromagnetică folosește acest principiu. Stresul mecanic poate modifica, de asemenea, caracteristicile câmpului magnetic ale materialelor magnetice.
Cum vedem forțele în câmpurile magnetice?
Câmpul magnetic este un fenomen fizic invizibil care există în jurul magneților și conductoarelor care poartă electricitate. Deși nu putem vedea câmpul magnetic direct cu ochii goi, prin unele metode experimentale inteligente, putem „vedea” indirect forțele din câmpul magnetic și să -i explorăm legile.
Utilizarea unui magnet și a înregistrărilor de fier (vizualizarea liniilor de câmp magnetic)
Liniile de câmp magnetic sunt un instrument pentru descrierea distribuției câmpurilor magnetice și pot arăta intuitiv direcția și rezistența câmpului magnetic. Când înregistrările de fier sunt împrăștiate în jurul unui magnet de bare, acestea vor fi aranjate de -a lungul liniilor de câmp magnetic, îndreptându -se de la polul N la polul S din exterior și de la polul S înapoi la polul N din interior, formând o buclă închisă. Instalațiile de fier sunt densă în apropierea stâlpilor magnetici, iar câmpul magnetic este puternic, în timp ce înregistrările de fier sunt reduse în zona din mijloc, iar câmpul magnetic este slab. Acest fenomen demonstrează în mod viu legea de distribuție a câmpului magnetic.
Observați interacțiunea dintre magneți
Forța dintre magneți se manifestă ca niște poli care se resping reciproc și spre deosebire de poli care se atrag reciproc, iar amploarea forței crește pe măsură ce distanța scade. Prin dinamometrul arcului, se poate observa că citirea crește atunci când poli sunt apropiați, iar citirea scade atunci când spre deosebire de poli sunt apropiați. Forța de câmp magnetic este un vector, iar direcția sa este de -a lungul liniei care leagă stâlpii. Mărimea depinde de puterea magnetismului și de distanță.
Folosind mișcarea curentului electric într -un câmp magnetic
Atunci când un curent electric se află într-un câmp magnetic, acesta este acționat de forța ampere, care este perpendicular pe direcția curentului și câmpului magnetic și poate fi determinată de regula din dreapta. Mărimea forței ampere este proporțională cu curentul, rezistența câmpului magnetic și lungimea firului. Folosind acest principiu, dispozitive precum motoarele pot fi fabricate pentru a converti energia electrică în energie mecanică.
Aplicații practice ale câmpurilor magnetice
În industria energiei electrice:Generatoarele și transformatoarele folosesc principiul inducției electromagnetice pentru a realiza conversia reciprocă a energiei electrice și a energiei mecanice.
Medicalfield:Imagistica prin rezonanță magnetică (RMN) folosește câmpuri magnetice puternice pentru a obține imagini de înaltă definiție ale interiorului corpului uman, ceea ce îl face un instrument important pentru diagnosticul bolii.
Înterms oftRansport:Trenurile Maglev se bazează pe forța repulsivă generată de câmpul magnetic pentru a obține o operație de mare viteză fără contact, reducând considerabil pierderile de frecare.
Rezuma
Ca una dintre forțele fundamentale ale naturii, câmpul magnetic joacă un rol important de la particulele microscopice la scara cosmică. Înțelegerea câmpurilor magnetice nu numai că ne ajută să stăpânim principiile științei și tehnologiei moderne, dar ne ajută să înțelegem mai bine lumea fizică în care trăim. Odată cu dezvoltarea științei materialelor și a tehnologiei cuantice, perspectivele de aplicare ale câmpurilor magnetice în energie, medicină, tehnologie informațională și alte domenii vor fi mai largi.