MAGNETFÄLT: INTENSITET, EGENSKAPER, KÄLLOR, EXEMPEL - FYSISK - 2025

Det magnetiska fältet är det inflytande som rörliga elektriska laddningar har på det utrymme som omger dem. Laddningar har alltid ett elektriskt fält, men bara de som är i rörelse kan generera magnetiska effekter.

Förekomsten av magnetism har varit känt länge. De gamla grekerna beskrev ett mineral som kan locka till sig små järnstycken: det var lodstenen eller magnetiten.

Bild 1. Magnetitprov. Källa: Wikimedia Commons. Rojinegro81.

Visarna Thales of Miletus och Platon var upptagna med att spela in magnetiska effekter i sina skrifter; förresten, de kände också statisk elektricitet.

Men magnetismen blev inte förknippad med elektricitet förrän på 1800-talet, då Hans Christian Oersted observerade att kompassen avvikde i närheten av en ledande tråd som bär ström.

Idag vet vi att elektricitet och magnetism är, så att säga, två sidor av samma mynt.

Magnetfält i fysik

I fysiken är termen magnetfält en vektorkvantitet med modul (dess numeriska värde), riktning i rymden och känslan. Det har också två betydelser. Den första är en vektor ibland kallas magnetisk induktion och betecknas med B .

Enheten av B i International System of Units är tesla, förkortad T. Den andra mängden som också kallas magnetfältet är H , även känd som magnetfältets intensitet och vars enhet är ampere / meter.

Båda kvantiteterna är proportionella, men de definieras på detta sätt för att ta hänsyn till effekterna magnetiska material har på fälten som passerar genom dem.

Om ett material placeras i mitten av ett yttre magnetfält beror det resulterande fältet på detta och även på materialets egen magnetiska respons. Det är därför B och H är relaterade av:

B = μ _m H

Här μ _m är en konstant som beror på material och har lämpliga enheter, så att när multiplicera med H resultatet är tesla.

C

-Magnetfältet är en vektorstorlek, därför har det magnitud, riktning och känsla.

-Enheten för magnetfältet B i det internationella systemet är tesla, förkortat T, medan H är ampere / meter. Andra enheter som ofta förekommer i litteraturen är gauss (G) och osted.

-Magnetiska fältlinjer är alltid stängda öglor, lämnar en nordpol och kommer in i en sydpol. Fältet är alltid tangent för linjerna.

-Magnetpolerna presenteras alltid i ett nord-syd-par. Det är inte möjligt att ha en isolerad magnetpol.

-Det kommer alltid från rörelsen av elektriska laddningar.

-Dens intensitet är proportionell mot storleken på lasten eller strömmen som producerar den.

-Magnetfältets storlek minskar med invers av kvadratet på avståndet.

-Magnetiska fält kan vara konstant eller variabel, både i tid och i rymden.

-Et magnetfält kan utöva en magnetisk kraft på en rörlig laddning eller på en tråd som bär ström.

Polar av en magnet

En barmagnet har alltid två magnetpoler: nordpolen och sydpolen. Det är väldigt lätt att kontrollera att poler med samma skylt stöter, medan de av olika typer lockar.

Detta är ganska likt det som händer med elektriska laddningar. Det kan också observeras att ju närmare de är, desto större är den kraft som de lockar eller stöter varandra med.

Barmagneter har ett distinkt mönster av fältlinjer. De är vassa kurvor, lämnar nordpolen och kommer in i sydpolen.

Bild 2. Magnetfältlinjer för en stapelmagnet. Källa: Wikimedia Commons.

Ett enkelt experiment för att titta på dessa linjer är att sprida järnfilningar ovanpå ett pappersark och placera en stångmagnet under.

Magnetfältets intensitet anges som en funktion av fältlinjernas densitet. Dessa är alltid tätast nära polerna, och de sprids när vi rör oss bort från magneten.

Magneten är också känd som en magnetisk dipol, i vilken de två polerna exakt är de nordliga och södra magnetiska polerna.

Men de kan aldrig separeras. Om du klipper magneten i hälften får du två magneter, alla med sina respektive nord- och sydpoler. Isolerade poler kallas magnetiska monopol, men hittills har ingen isolerats.

källor

Man kan tala om olika källor till magnetfält. De sträcker sig från magnetiska mineraler, genom jorden själv, som uppträder som en stor magnet, till elektromagneter.

Men sanningen är att varje magnetfält har sitt ursprung i rörelsen av laddade partiklar.

Senare kommer vi att se att den ursprungliga källan till all magnetism finns i de små strömmarna inne i atomen, främst de som produceras på grund av rörelserna hos elektronerna runt kärnan och på kvanteffekterna som finns i atomen.

När det gäller dess makroskopiska ursprung kan man dock tänka på naturliga källor och konstgjorda källor.

Naturliga källor "slocknar" i princip inte, de är permanentmagneter, men det måste beaktas att värme förstör ämnets magnetism.

När det gäller konstgjorda källor kan den magnetiska effekten undertrycks och kontrolleras. Därför har vi:

-Magneter av naturligt ursprung, till exempel gjorda av magnetiska mineraler som magnetit och maghemit, båda järnoxider.

-Elektriska strömmar och elektromagneter.

Magnetiska mineraler och elektromagneter

I naturen finns det olika föreningar som uppvisar anmärkningsvärda magnetiska egenskaper. De kan locka till exempel bitar av järn och nickel såväl som andra magneter.

De nämnda järnoxiderna, såsom magnetit och maghemit, är exempel på denna klass av ämnen.

Magnetisk känslighet är den parameter som används för att kvantifiera bergens magnetiska egenskaper. Grundläggande stollande bergarter är de med den högsta känsligheten på grund av deras höga innehåll av magnetit.

Å andra sidan, så länge du har en tråd som bär ström kommer det att finnas ett tillhörande magnetfält. Här har vi ett annat sätt att generera ett fält, som i detta fall tar formen av koncentriska cirklar med tråden.

Fältets rörelseriktning anges med höger tumme regel. När högerhandens tumme pekar i strömriktningen kommer de fyra återstående fingrarna att indikera riktningen i vilken fältlinjerna är böjda.

Bild 3. Höger tumregel för att få magnetfältets riktning och känsla. Källa: Wikimedia Commons.

En elektromagnet är en enhet som producerar magnetism från elektriska strömmar. Det har fördelen att kunna slå av och på när som helst. När strömmen upphör försvinner magnetfältet. Dessutom kan fältintensiteten också kontrolleras.

Elektromagneter är en del av olika enheter, inklusive högtalare, hårddiskar, motorer och reläer, bland andra.

Magnetkraft på en rörlig laddning

Förekomsten av ett magnetfält B kan verifieras med hjälp av en elektrisk testladdning - kallat q- och som rör sig med hastigheten v . För detta utesluts närvaron av elektriska och gravitationsfält, åtminstone för tillfället.

I ett sådant fall, den kraft som erfars av laddningen q, som betecknas som F _B , är helt och hållet på grund av inverkan av fältet. Kvalitativt observeras följande:

-Den magnituden av F _B är proportionell mot q och en hastighet v.

-Om v är parallell med den magnetiska fältvektorn, storleken på F _B är noll.

-Magnetkraften är vinkelrätt mot både v och B.

-Slutligen är magnetkraftens storlek proportionell mot sin θ, där θ är vinkeln mellan hastighetsvektorn och magnetfältvektorn.

Allt ovanstående gäller både positiva och negativa avgifter. Den enda skillnaden är att magnetkraftens riktning är omvänd.

Dessa observationer överensstämmer med vektorprodukten mellan två vektorer, så att den magnetiska kraften som upplevs av en punktladdning q, som rör sig med hastigheten v i mitten av ett magnetfält är:

F _B = q v x B

Vars modul är:

Bild 4. Högerhandregel för magnetkraften på en positiv punktladdning. Källa: Wikimedia Commons.

Hur genereras ett magnetfält?

Det finns flera sätt, till exempel:

-Med magnetisering av ett lämpligt ämne.

- Att leda en elektrisk ström genom en ledande tråd.

Men magnetismens ursprung förklaras genom att komma ihåg att det måste vara förknippat med laddningens rörelse.

En elektron som kretsar kring kärnan är i huvudsak en liten strömslinga, men en som kan bidra väsentligen till atomens magnetism. Det finns väldigt många elektroner i ett magnetiskt material.

Detta bidrag till atomens magnetism kallas det magnetiska omloppsmomentet. Men det finns mer, eftersom översättningen inte är elektronens enda rörelse. Den har också ett magnetiskt spinnmoment, en kvanteffekt vars analogi är den för en rotation av elektronen på dess axel.

I själva verket är det magnetiska spinnmomentet den främsta orsaken till en atoms magnetism.

typer

Magnetfältet kan ta många former beroende på fördelningen av strömmar som kommer från det. I sin tur kan det variera inte bara i rymden, utan också i tiden eller båda samtidigt.

-I närheten av en elektromagnets poler finns ett ungefärligt konstant fält.

-Också i en solenoid erhålls ett högintensivt och enhetligt fält, med fältlinjerna riktade längs den axiella axeln.

- Jordens magnetfält approximerar ganska bra en magnetfält, särskilt i närheten av ytan. Längre bort modifierar solvinden de elektriska strömmarna och deformeras den märkbart.

-En tråd som bär ström har ett fält i form av koncentriska cirklar med tråden.

När det gäller huruvida fältet kan variera över tid har vi:

-Statiska magnetfält, när varken deras storlek eller riktning förändras över tid. Fältet för en stångmagnet är ett bra exempel på denna typ av fält. Även de som härrör från ledningar som har stationära strömmar.

-Variabla fält över tiden, om någon av deras egenskaper varierar över tiden. Ett sätt att få dem är från växelströmsgeneratorer, som använder sig av fenomenet magnetisk induktion. De finns i många vanliga enheter, till exempel mobiltelefoner.

Biot-Savarts lag

När det krävs att beräkna formen på magnetfältet som produceras genom en strömfördelning, kan man använda Biot-Savart-lagen, som upptäcktes 1820 av de franska fysikerna Jean Marie Biot (1774-1862) och Felix Savart (1791-1841). ).

För vissa strömfördelningar med enkla geometrier kan ett matematiskt uttryck för magnetfältvektorn erhållas direkt.

Anta att vi har ett trådssegment med differentiell längd dl som bär en elektrisk ström I. Tråden antas också vara i vakuum. Det magnetiska fältet som producerar denna distribution:

- Minskar med det omvända avståndet till avståndet till tråden.

-Det är proportionellt mot intensiteten på strömmen I som passerar genom tråden.

-Den riktning är tangentiell för omkretsen för radien r som är centrerad på tråden och dess riktning ges av regeln om höger tumme.

- μ _o = 4π. 10 ^-7 Tm / A

- d B är ett magnetfält differential.

- Jag är intensiteten på strömmen som strömmar genom tråden.

- r är avståndet mellan trådens centrum och den punkt där du vill hitta fältet.

-r är vektorn som går från ledningen till den punkt där du vill beräkna fältet.

exempel

Nedan följer två exempel på magnetfält och deras analytiska uttryck.

Magnetfält producerat av en mycket lång rätlinjig tråd

Med hjälp av Biot-Savart-lagen är det möjligt att erhålla fältet framställt av en tunn finit ledartråd som bär en ström I. Genom att integrera längs ledaren och ta det begränsande fallet där det är mycket långt, är fältets storlek resultat:

Fält skapat av Helmholtz-spolen

Helmholtz-spolen består av två identiska och koncentriska cirkulära spolar, till vilka samma ström passeras. De tjänar till att skapa ett ungefär enhetligt magnetfält i det.

Bild 5. Schematisk över Helmholtz-spolarna. Källa: Wikimedia Commons.

Dess storlek vid spolens centrum är:

Y riktas längs den axiella axeln. Faktorerna i ekvationen är:

- N representerar antalet varv på spolarna

- Jag är strömmens storlek

- μ _o är vakuumets magnetiska permeabilitet

- R är spolarnas radie.

referenser

1. Figueroa, D. (2005). Serie: Fysik för vetenskap och teknik. Volym 1. Kinematik. Redigerad av Douglas Figueroa (USB).
2. Magnetiska fältstyrkan H . Återställd från: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fysik: En titt på världen. 6: e förkortade upplagan. Cengage Learning.
4. Magnetfält och magnetiska krafter. Återställd från: physics.ucf.edu.
5. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
6. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fysik för vetenskap och teknik. Volym 2. 7: e. Ed. Cengage Learning.
7. University of Vigo. Exempel på magnetism. Återställd från: quintans.webs.uvigo.es