Magnetfeldintensität, Eigenschaften, Quellen, Beispiele

Er Magnetfeld Es ist der Einfluss von beweglichen elektrischen Ladungen auf den umgebenden Raum. Lasten haben immer ein elektrisches Feld, aber nur die Bewegungen können magnetische Effekte erzeugen.

Die Existenz des Magnetismus ist seit langem bekannt. Die alten Griechen beschrieb ein Mineral, das kleine Eisenstücke anziehen konnte: Es war der Magnet- oder Magnetitstein.

Abbildung 1. Magnetitprobe. Quelle: Wikimedia Commons. Rojinegro81 [CC BY-SA 3.0 (https: // creativecommons.Org/lizenzen/by-sa/3.0)]].

Die weisen Männer von Miletus und Platon kümmerten sich um die Registrierung der magnetischen Effekte in ihren Schriften; Übrigens kannten sie auch statische Elektrizität.

Der Magnetismus war jedoch erst im neunzehnten Jahrhundert mit Strom in Verbindung gebracht, als Hans Christian Oersted beobachtete, dass der Kompass in der Nähe eines Fahrers Draht umgeleitet wurde, der Strom transportierte.

Heute wissen wir, dass Strom und Magnetismus sozusagen zwei Seiten derselben Währung sind.

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Magnetfeld in der Physik

In der Physik der Begriff Magnetfeld Es ist eine Vektorgröße mit einem Modul (sein numerischer Wert), Richtung in Raum und Richtung. Es hat auch zwei Bedeutungen. Der erste ist ein Vektor, der manchmal genannt wird magnetische Induktion Und es ist mit bezeichnet mit B.

Die Einheit von B Im internationalen Einheitensystem befindet sich der abgekürzte Tesla Tesla Tesla. Die andere Größe, die auch Magnetfeld bezeichnet wird H, auch bekannt als Magnetfeldintensität Und dessen Einheit Amperio/Meter ist.

Beide Größen sind proportional, werden jedoch auf diese Weise definiert, um die Effekte zu berücksichtigen, die magnetische Materialien auf die Felder haben, die sie durchlaufen.

Wenn ein Material in der Mitte eines externen Magnetfelds platziert wird, hängt das resultierende Feld von dieser und auch von der magnetischen Reaktion des Materials ab. Deshalb B Und H Sie sind verwandt durch:

B = μ_MH

Hier μ_M  Es ist eine Konstante, die vom Material abhängt und angemessene Einheiten aufweist, damit sich durch Multiplizieren mit H Das Ergebnis ist Tesla.

Eigenschaften eines Magnetfeldes

-Das Magnetfeld ist eine Vektorgröße, daher hat es Größe, Richtung und Bedeutung.

-Die Einheit des Magnetfeldes B Im internationalen System ist es die Tesla, die als t abgekürzt wird, während H Es ist Ampere/Meter. Andere Einheiten, die häufig in der Literatur auftreten.

-Die Magnetfeldleitungen sind immer geschlossene Krawatten, die einen Nordpol hinterlassen und einen Südpol betreten. Das Feld ist immer tangential zu den Linien.

-Magnetpolen erscheinen immer im Nord-Süd-Paar. Es ist nicht möglich, einen isolierten Magnetpol zu haben.

-Es stammt immer in der Bewegung von elektrischen Gebühren.

-Seine Intensität ist proportional zur Größe der Last oder zum Strom, der sie erzeugt.

-Die Magnetfeldgröße nimmt mit der Umkehrung zum Quadrat des Abstands ab.

-Magnetfelder können konstant oder variabel sein, sowohl Zeit als auch Raum.

-Ein Magnetfeld kann eine Magnetkraft auf eine sich bewegende Last oder einen Draht ausüben, den der Strom transportiert.

Stangen eines Magneten

Ein Balkenmagnet hat immer zwei Magnetpole: den Nordpol und den Südpol. Es ist sehr einfach zu überprüfen.

Das ist sehr wie bei elektrischen Gebühren, was passiert. Es kann auch ersichtlich sein, dass je näher sie sind, desto größer die Kraft, mit der sie anziehen oder abtauchen.

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Balkenmagnete haben ein charakteristisches Muster von Feldlinien. Es sind geschlossene Kurven, die den Nordpol verlassen und den Südpol betreten.

Figur 2. Magnetfeldlinien eines Stabmagnetens. Quelle: Wikimedia Commons.

Ein einfaches Experiment, um diese Linien zu beobachten, besteht darin, Eisenakten auf einem Blatt Papier zu verbreiten und einen Stabmagneten unten zu platzieren.

Die Intensität des Magnetfelds wird gemäß der Dichte der Feldlinien angegeben. Diese sind immer dichter in der Nähe der Pole und erstrecken sich, während wir uns vom Magneten entfernen.

Der Magnet ist auch als magnetischer Dipol bekannt, bei dem die beiden Pole genau die nördlichen und südlichen Magnetpolen sind.

Aber sie können sich nie trennen. Wenn der Magnet in zwei Hälften geschnitten wird, werden zwei Magnete erhalten, jeweils mit ihren jeweiligen Nord- und Südpolen. Die isolierten Pole werden genannt Magnetische Monopole, Bisher konnte niemand isolieren konnten.

Quellen

Sie können über verschiedene Magnetfeldquellen sprechen. Sie reichen von magnetischen Mineralien über das Land selbst, das sich wie ein großer Magnet verhält, bis Sie Elektromagnette erreichen.

Aber die Wahrheit ist, dass jedes Magnetfeld seinen Ursprung in der Bewegung beladener Partikel hat.

Später werden wir sehen, dass die Hauptquelle aller Magnetismus in den winzigen Strömen im Atom liegt, hauptsächlich diejenigen, die aufgrund der Bewegungen der Elektronen um den Kern und für die im Atom vorhanden.

In Bezug auf den makroskopischen Ursprung können Sie sich jedoch an natürliche Quellen und künstliche Quellen vorstellen.

Natürliche Quellen im Prinzip "schalten" nicht "ab dauerhaften Magneten", aber es muss berücksichtigt werden, dass Wärme den Magnetismus von Substanzen zerstört.

In Bezug auf künstliche Quellen kann der magnetische Effekt unterdrückt und kontrolliert werden. Deshalb haben wir:

-Magnete natürlicher Herkunft, hergestellt aus magnetischen Mineralien wie Magnetit und Maghemitisch, beispielsweise beide Eisenoxide.

-Elektro- und Elektroimanenströme.

Magnet- und Elektromagnet -Mineralien

In der Natur gibt es verschiedene Verbindungen, die bemerkenswerte magnetische Eigenschaften aufweisen. Sie können zum Beispiel Eisen- und Nickelstücke sowie andere Magnete anziehen.

Die erwähnten Eisenoxide wie Magnetit und Maghemita sind Beispiele für diese Art von Substanzen.

Der magnetische Suszeptibilität Es ist der Parameter, der zur Quantifizierung der magnetischen Eigenschaften der Gesteine ​​verwendet wird. Die grundlegenden magmatischen Gesteine ​​sind aufgrund ihres hohen Magnetitgehalts die höchste Anfälligkeit.

Auf der anderen Seite, vorausgesetzt, es gibt einen Strom, der Strom ist, wird ein zugeordnetes Magnetfeld vorhanden sein. Hier haben wir einen anderen Weg, um ein Feld zu erzeugen, das in diesem Fall die Form konzentrischer Umfang mit dem Draht annimmt.

Das Gefühl der Kreislauf des Feldes wird durch die rechte Daumenregel angegeben. Wenn der Daumen der rechten Hand in Richtung des Stroms zeigt, geben die verbleibenden vier Finger den Sinn an, in dem die Feldlinien gekrümmt sind.

Figur 3. Rechte Daumenregel, um die Richtung und Bedeutung des Magnetfeldes zu erhalten. Quelle: Wikimedia Commons.

Ein Elektromagnet ist ein Gerät, das Magnetismus aus elektrischen Strömen erzeugt. Es hat den Vorteil, nach Belieben ein- und auszuschalten. Wenn der Strom aufhört, verschwindet das Magnetfeld. Zusätzlich kann die Intensität des Feldes ebenfalls kontrolliert werden.

Elektromagnes sind Teil verschiedener Geräte, darunter Sprecher, Festplatten, Motoren und Staffeln unter anderem.

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Magnetkraft auf eine sich bewegende Ladung

Sie können die Existenz eines Magnetfelds überprüfen B durch eine elektrische Versuchslast -genannt Q- Und das bewegt sich mit Geschwindigkeit v. Dafür wird das Vorhandensein von elektrischen und gravitativen Feldern zumindest für den Moment ausgeschlossen.

In diesem Fall die Kraft, die die Last erfährt Q, was als bezeichnet als als F_B, Es ist vollständig auf den Einfluss des Feldes zurückzuführen. Qualitativ wird Folgendes beobachtet:

-Die Größe von  F_B  Es ist proportional zu  Q Und mit der Geschwindigkeit v.

-Ja v ist parallel zum Magnetfeldvektor, der Größe von F_B Es ist Null.

-Die Magnetkraft ist senkrecht zu beiden v wie B.

-Schließlich ist die Größe der Magnetkraft proportional zu Sünde θ, Sein θ Der Winkel zwischen dem Geschwindigkeitsvektor und dem Magnetfeldvektor.

Alle oben genannten sind sowohl für positive als auch für negative Lasten gültig. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Bedeutung der Magnetkraft umgekehrt ist.

Diese Beobachtungen stimmen mit dem Vektorprodukt zwischen zwei Vektoren überein, sodass die Magnetkraft durch eine pünktliche Belastung erlebt wird Q, Das bewegt sich mit Geschwindigkeit v In der Mitte eines Magnetfeldes ist es:

F_B = q v X B

Dessen Modul ist:

F_B = q.v.B.Sünde θ

Figur 4. Regel der rechten Hand für die magnetische Kraft bei einer positiven pünktlichen Belastung. Quelle: Wikimedia Commons.

Wie wird ein Magnetfeld erzeugt??

Zum Beispiel gibt es verschiedene Möglichkeiten:

-Mittels einer angemessenen Substanz.

-Einen elektrischen Strom durch einen Treiberdraht übergeben.

Aber der Ursprung des Magnetismus in der Materie wird erklärt, dass er sich daran erinnert, dass er mit der Bewegung von Lasten verbunden sein muss.

Ein Elektron, der den Kern umkreist. Es gibt viele Elektronen in einem Stück magnetisches Material.

Dieser Beitrag zum Magnetismus des Atoms heißt Orbital magnetischer Moment. Aber es gibt noch mehr, denn die Übersetzung ist nicht die einzige Bewegung des Elektrons. Das besitzt auch Spins magnetischer Moment, Ein Quanteneffekt, dessen Analogie die einer Elektronenrotation auf seiner Achse ist.

In der Tat ist Espíns magnetischer Moment die Hauptursache für den Magnetismus eines Atoms.

Leute

Das Magnetfeld kann abhängig von der Verteilung von Strömen, die es stammen, viele Formen annehmen. Wiederum kann es nicht nur im Raum, sondern auch in der Zeit oder beides gleichzeitig variieren.

-In der Nähe der Pole eines Elektromagnets gibt es ungefähr konstantes Feld.

-Auch in einem Magneten wird eine hohe Intensität und ein gleichmäßiges Feld erhalten, wobei die Feldlinien entlang der Axialachse gerichtet sind.

-Das Magnetfeld der Erde ist recht gut auf dem Feld eines Stabmagneten, insbesondere in der Oberfläche,. Darüber hinaus modifiziert der Sonnenwind die elektrischen Ströme und verformt ihn erheblich.

-Ein Draht, der Strom transportiert.

Ob das Feld rechtzeitig variieren kann oder nicht, haben sie:

-Statische Magnetfelder, wenn sich weder ihre Größe noch ihre Richtung im Laufe der Zeit änderten. Das Feld eines Balkenmagneten ist ein gutes Beispiel für diese Art von Feld. Auch diejenigen, die von Drähten stammen, die stationäre Strömungen transportieren.

-Variable Felder im Laufe der Zeit, wenn eine seiner Eigenschaften im Laufe der Zeit unterschiedlich ist. Eine Möglichkeit, sie zu erhalten. Sie sind in zahlreichen Geräten der gemeinsamen Verwendung vorhanden, beispielsweise Handys.

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Das biot-savart-Gesetz

Wenn es erforderlich ist, die Form des durch eine Verteilung der Ströme erzeugten Magnetfeld zu berechnen, kann das Biot-Savart-Gesetz verwendet werden, das 1820 von den französischen Physikern Jean Marie Biot (1774-1862) und Felix Savart (1791-1841) entdeckt wurde.

Für einige Stromverteilungen mit einfachen Geometrien kann direkt ein mathematischer Ausdruck für den Magnetfeldvektor erhalten werden.

Angenommen, Sie haben ein Differentiallängen -Drahtsegment dl Das transportiert einen elektrischen Strom Yo. Es wird auch angenommen, dass sich der Draht in einem Vakuum befindet. Das Magnetfeld, das diese Verteilung erzeugt:

-Nimmt mit der Umkehrung zum Quadrat des Abstands zum Draht ab.

-Es ist proportional zur Intensität des Stroms Yo das reist auf den Draht.

-Ihre Adresse ist tangential zum Funkumfang R auf Draht zentriert und seine Bedeutung wird nach der rechten Daumenregel gegeben.

Diese Beobachtungen werden im folgenden Ausdruck kombiniert:Die Verhältnismäßigkeitskonstante ist die Vakuumpermeabilität μ_entweder, durch die es erhalten wird:Wo:

-μ_entweder = 4π. 10^-7 T.m/ a 

-DB Es ist ein Magnetfeldunterschied.

-Yo Es ist die Intensität des Stroms, der auf dem Draht zirkuliert.

-R Es ist der Abstand zwischen der Mitte des Drahtes und dem Punkt, an dem Sie das Feld finden möchten.

-Dl Es ist der Vektor, dessen Größe die Länge des Differentialsegments ist dl.

-R Es ist der Vektor, der vom Kabel bis zu dem Punkt führt, an dem Sie das Feld berechnen möchten.

Beispiele

Unten finden Sie zwei Beispiele für Magnetfeld und ihre analytischen Ausdrücke.

Magnetfeld erzeugt durch einen sehr langen geradlinigen Draht

Mittels. Bei der Integration entlang des Fahrers und des Grenzfalles, in dem dies sehr lang ist, ergibt sich die Größe des Feldes:

 Die Richtung und Richtung des Vektors B werden durch die rechte Daumenregel angezeigt, wie in Abbildung 3 zu sehen ist.

Feld von Helmholtz -Spule erstellt

Die Helmholtz -Spule wird durch zwei identische und konzentrische kreisförmige Spulen gebildet, an denen der gleiche Strom bestanden wird. Sie dienen dazu, ein ein gleichmäßig gleiches Magnetfeld im Inneren zu erzeugen.

Abbildung 5. Helmholtz -Spulenschema. Quelle: Wikimedia Commons.

Seine Größe in der Mitte der Spule ist:

Und wird entlang der axialen Achse gerichtet. Die Faktoren der Gleichung sind:

-N repräsentiert die Anzahl der Wendungen der Spulen

-Yo Es ist die Größe des Stroms

-μ_entweder Es ist die magnetische Permeabilität von Vakuum

-R Es ist der Radius der Spulen.

Verweise

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