MAGNETFELT: INTENSITET, EGENSKAPER, KILDER, EKSEMPLER - FYSISK - 2026

Den magnetiske felt er den innflytelse som bevegelige elektriske ladninger har på den plass som omgir dem. Ladninger har alltid et elektrisk felt, men bare de som er i bevegelse kan gi magnetiske effekter.

Eksistensen av magnetisme har vært kjent i lang tid. De gamle grekere beskrev et mineral som var i stand til å tiltrekke seg små jernstykker: det var lodsteinen eller magnetitten.

Figur 1. Magnetittprøve. Kilde: Wikimedia Commons. Rojinegro81.

Vismennene Thales of Miletus og Platon var opptatt med å registrere magnetiske effekter i sine skrifter; forresten, de kjente også statisk elektrisitet.

Men magnetisme ble ikke assosiert med elektrisitet før på 1800-tallet, da Hans Christian Oersted observerte at kompasset avviket i nærheten av en ledende ledningsstrøm.

I dag vet vi at elektrisitet og magnetisme, så å si, to sider av den samme mynten.

Magnetfelt i fysikk

I fysikk er begrepet magnetfelt en vektormengde, med modul (dens numeriske verdi), retning i rom og forstand. Det har også to betydninger. Den første er en vektor kalles magnetisk induksjon og er betegnet med B .

Enheten til B i International System of Units er tesla, forkortet T. Den andre mengden som også kalles magnetfeltet er H , også kjent som magnetfeltintensiteten og hvis enhet er ampere / meter.

Begge mengder er proporsjonale, men de er definert på denne måten for å ta hensyn til effektene magnetiske materialer har på feltene som går gjennom dem.

Hvis et materiale plasseres midt i et eksternt magnetfelt, vil det resulterende feltet avhenge av dette og også av materialets egen magnetiske respons. Det er grunnen til at B og H er relatert av:

B = μ _m H

Her μ _m er en konstant som avhenger av materialet og har egnede enheter, slik at når multiplisere med H resultatet er tesla.

C

-Magnetfeltet er en vektorstørrelse, derfor har det styrke, retning og sans.

-Enheten til magnetfeltet B i det internasjonale systemet er tesla, forkortet T, mens H er ampere / meter. Andre enheter som ofte vises i litteraturen er gauss (G) og oersted.

-Magnetiske feltlinjer er alltid lukkede løkker, forlater en nordpol og kommer inn i en sørpol. Feltet er alltid tangent til linjene.

-Magnetpolene presenteres alltid i et nord-sør-par. Det er ikke mulig å ha en isolert magnetisk pol.

-Det stammer alltid fra bevegelsen av elektriske ladninger.

-Dens intensitet er proporsjonal med størrelsen på lasten eller strømmen som produserer den.

-Størrelsen på magnetfeltet avtar med invers av kvadratet til avstanden.

-Magnetiske felt kan være konstante eller varierende, både i tid og i rom.

-Et magnetfelt er i stand til å utøve en magnetisk kraft på en bevegelig ladning eller på en ledning som fører strøm.

Polver av en magnet

En stangmagnet har alltid to magnetiske poler: nordpolen og sørpolen. Det er veldig enkelt å bekrefte at stolper med samme skilt avviser, mens de av forskjellige typer tiltrekker seg.

Dette er ganske likt det som skjer med elektriske ladninger. Det kan også observeres at jo nærmere de er, jo større er kraften de tiltrekker eller frastøter hverandre med.

Barmagneter har et særegent mønster av feltlinjer. De er skarpe kurver, forlater nordpolen og kommer inn på sørpolen.

Figur 2. Magnetfeltlinjer til en stolpe magnet. Kilde: Wikimedia Commons.

Et enkelt eksperiment for å observere disse linjene er å spre jernfilinger på toppen av et papirark og plassere en stangmagnet under.

Intensiteten til magnetfeltet er gitt som en funksjon av tettheten av feltlinjer. Disse er alltid tettest i nærheten av polene, og de sprer seg når vi beveger oss bort fra magneten.

Magneten er også kjent som en magnetisk dipol, der de to polene er nøyaktig de nordlige og sørlige magnetiske polene.

Men de kan aldri skilles. Hvis du skjærer magneten i to, får du to magneter, hver med sine respektive nord- og sørpoler. Isolerte stolper kalles magnetiske monopoler, men til dags dato har ingen blitt isolert.

kilder

Man kan snakke om forskjellige kilder til magnetfelt. De spenner fra magnetiske mineraler, gjennom jorden selv, som oppfører seg som en stor magnet, til elektromagneter.

Men sannheten er at hvert magnetfelt har sitt opphav i bevegelsen av ladede partikler.

Senere vil vi se at den primordiale kilden til all magnetisme ligger i de bittesmå strømningene inne i atomet, hovedsakelig de som er produsert på grunn av bevegelsene til elektronene rundt kjernen og de kvanteeffektene som er tilstede i atomet.

Når det gjelder dens makroskopiske opprinnelse, kan man imidlertid tenke på naturlige kilder og kunstige kilder.

Naturlige kilder "slår seg ikke av" i prinsippet, de er permanente magneter, men det må tas i betraktning at varme ødelegger magnetismen til stoffene.

Når det gjelder kunstige kilder, kan den magnetiske effekten undertrykkes og kontrolleres. Derfor har vi:

-Magneter med naturlig opprinnelse, laget av magnetiske mineraler som magnetitt og maghemitt, begge jernoksider, for eksempel.

-Elektriske strømmer og elektromagneter.

Magnetiske mineraler og elektromagneter

I naturen er det forskjellige forbindelser som har bemerkelsesverdige magnetiske egenskaper. De er i stand til å tiltrekke seg stykker jern og nikkel, for eksempel, så vel som andre magneter.

Jernoksidene som nevnes, for eksempel magnetitt og maghemitt, er eksempler på denne stoffklassen.

Magnetisk mottakelighet er parameteren som brukes til å kvantifisere de magnetiske egenskapene til bergarter. Grunnleggende stollete bergarter er de med høyest følsomhet, på grunn av deres høye innhold av magnetitt.

På den annen side, så lenge du har en ledning som fører strøm, vil det være et tilknyttet magnetfelt. Her har vi en annen måte å generere et felt, som i dette tilfellet har form av konsentriske sirkler med ledningen.

Retningen for feltets bevegelse er gitt av regelen om høyre tommel. Når tommelen til høyre hånd peker i retning av strømmen, vil de fire gjenværende fingrene indikere retningen som feltlinjene er bøyd i.

Figur 3. Regelen med høyre tommel for å få retningen og sansen for magnetfeltet. Kilde: Wikimedia Commons.

En elektromagnet er en enhet som produserer magnetisme fra elektriske strømmer. Det har fordelen av å kunne slå av og på når du vil. Når strømmen opphører, forsvinner magnetfeltet. I tillegg kan feltintensiteten også kontrolleres.

Elektromagneter er en del av forskjellige enheter, inkludert høyttalere, harddisker, motorer og reléer, blant andre.

Magnetkraft på en bevegelig ladning

Eksistensen av et magnetfelt B kan verifiseres ved hjelp av en testelektrisk ladning-kalt q- og som beveger seg med hastighet v . For dette utelukkes tilstedeværelsen av elektriske felt og gravitasjonsfelt, i det minste for øyeblikket.

I et slikt tilfelle, vil kraften oppleves av ladning q, som er betegnet som F _B , er i sin helhet på grunn av virkningen av feltet. Kvalitativt blir følgende observert:

-Den størrelsen av F _B er proporsjonal med Q, og en hastighet v.

-Hvis v er parallell med den magnetiske feltvektor, størrelsen av F _B er null.

-Magnetisk kraft er vinkelrett på både v og B.

Endelig er størrelsen på magnetkraften proporsjonal med sin θ, hvor θ er vinkelen mellom hastighetsvektoren og magnetfeltvektoren.

Alt dette ovenfor gjelder både for positive og negative kostnader. Den eneste forskjellen er at magnetkraftens retning er reversert.

Disse observasjonene stemmer overens med vektorproduktet mellom to vektorer, slik at magnetkraften som oppleves av en punktladning q, som beveger seg med hastighet v i midten av et magnetfelt, er:

F _B = q v x B

Hvis modul er:

Figur 4. Høyre regel for magnetisk kraft på en positiv punktladning. Kilde: Wikimedia Commons.

Hvordan genereres et magnetfelt?

Det er flere måter, for eksempel:

-Ved magnetisering av et passende stoff.

- Føring av en elektrisk strøm gjennom en ledende ledning.

Men magnetismens opprinnelse i materien forklares ved å huske at den må være forbundet med bevegelsen av ladninger.

Et elektron som går i bane rundt kjernen er egentlig en bittelitt lukket strømkrets, men en som er i stand til å bidra vesentlig til magnetismen til atomet. Det er veldig mange elektroner i et stykke magnetisk materiale.

Dette bidraget til magnetismen til atomet kalles det magnetiske omkretsmomentet. Men det er mer, fordi oversettelsen ikke er elektronets eneste bevegelse. Det har også et magnetisk spinnmoment, en kvanteeffekt hvis analogi er en rotasjon av elektronet på aksen.

Faktisk er det magnetiske spinnmomentet den viktigste årsaken til magnetismen til et atom.

typer

Magnetfeltet er i stand til å ta mange former, avhengig av fordelingen av strømmer som kommer fra det. I sin tur kan det variere ikke bare i verdensrommet, men også i tid, eller begge deler samtidig.

-I nærheten av polene til en elektromagnet er det et tilnærmet konstant felt.

-Også innenfor en magnetventil oppnås en høy intensitet og ensartet felt, med feltlinjene rettet langs aksialaksen.

-Jordets magnetfelt tilnærmer seg ganske bra feltet til en stangmagnet, spesielt i nærheten av overflaten. Lenger borte modifiserer solvinden de elektriske strømningene og deformerer den merkbart.

-En ledning som fører strøm har et felt i form av konsentriske sirkler med ledningen.

Når det gjelder hvorvidt feltet kan variere over tid, har vi:

-Statiske magnetfelt, når verken deres størrelse eller retning endres over tid. Feltet til en stangmagnet er et godt eksempel på denne typen felt. Også de som stammer fra ledninger som har stasjonære strømmer.

-Variable felt over tid, hvis noen av deres egenskaper varierer over tid. En måte å skaffe dem er fra vekselstrømgeneratorer, som benytter seg av fenomenet magnetisk induksjon. De finnes på mange ofte brukte enheter, for eksempel mobiltelefoner.

Biot-Savarts lov

Når det kreves beregning av formen til magnetfeltet produsert ved en fordeling av strømmer, kan det brukes Biot-Savart-loven, oppdaget i 1820 av de franske fysikerne Jean Marie Biot (1774-1862) og Felix Savart (1791-1841). ).

For noen strømfordelinger med enkle geometrier, kan du få et matematisk uttrykk for magnetfeltvektoren direkte.

Anta at vi har et trådssegment med differensiallengde dl som har en elektrisk strøm I. Ledningen vil også antas å være i et vakuum. Magnetfeltet som produserer denne fordelingen:

-Faller med invers av kvadratet av avstanden til ledningen.

-Det er proporsjonalt med intensiteten til strømmen I som går gjennom ledningen.

-Denes retning er tangensiell for omkretsen til radius r sentrert på ledningen og dens retning er gitt av regelen om høyre tommel.

- μ _o = 4π. 10 ^-7 Tm / A

- d B er en magnetisk feltdifferensial.

- Jeg er intensiteten av strømmen som strømmer gjennom ledningen.

- r er avstanden mellom midten av ledningen og punktet der du vil finne feltet.

-r er vektoren som går fra ledningen til det punktet der du vil beregne feltet.

eksempler

Nedenfor er to eksempler på magnetfelt og deres analytiske uttrykk.

Magnetfelt produsert av en veldig lang rettlinjet ledning

Ved hjelp av Biot-Savart-loven er det mulig å få frem feltet som er produsert av en tynn endelig ledertråd som fører strøm I. Ved å integrere langs lederen og ta den begrensende saken der den er veldig lang, er størrelsen på feltet resultat:

Felt opprettet av Helmholtz-spolen

Helmholtz-spolen består av to identiske og konsentriske sirkulære spoler, som samme strøm sendes til. De tjener til å skape et tilnærmet ensartet magnetfelt i det.

Figur 5. Skjematisk over Helmholtz-spolene. Kilde: Wikimedia Commons.

Størrelsen i midten av spolen er:

Y er rettet langs den aksiale aksen. Faktorene til ligningen er:

- N representerer antall svinger på spolene

- Jeg er størrelsen på strømmen

- μ _o er den magnetiske permeabiliteten til vakuumet

- R er radien til spolene.

referanser

1. Figueroa, D. (2005). Serie: Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. Volum 1. Kinematikk. Redigert av Douglas Figueroa (USB).
2. Magnetisk feltstyrke H . Gjenopprettet fra: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fysikk: En titt på verden. 6. forkortede utgave. Cengage Learning.
4. Magnetfelt og magnetiske krefter. Gjenopprettet fra: physics.ucf.edu.
5. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
6. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. Bind 2. 7. Ed. Cengage Learning.
7. University of Vigo. Eksempler på magnetisme. Gjenopprettet fra: quintans.webs.uvigo.es