Magnetfält: egenskaper, ursprung och användningsområden
Översikt av magnetfält: vad de är, hur de mäts, hur de uppstår, historisk bakgrund och centrala tillämpningar inom teknik och naturvetenskap.
Ett magnetfält är ett vektorfält i rummet som beskriver den magnetiska påverkan runt magneter, strömförande ledare och rörliga laddningar. Fältet visas ofta med hjälp av magnetiska fältlinjer som illustrerar riktning och relativ styrka; fältlinjernas orientering anger fältets riktning och deras täthet korrelerar med fältets intensitet. För grundläggande begrepp relaterade till fasta magneter och materialens svar, se magnet och magnetism.
Bildgalleri
7 Bilder
Egenskaper och mätning
Magnetfält är vektorfält som kan beskrivas med fältvektorn B (induktion) och ibland H (fältstyrka) beroende på kontext. Riktningen hos B anges tangentielt längs fältlinjerna och kan synliggöras praktiskt med järnfilspån eller kompassnålar. Den lokala styrkan anges i enheter som tesla i SI-systemet och gauss i det cgs-baserade systemet; se tesla, SI-enheter och gauss. Mätningar görs med instrument som Hall-sensorer, fluxgate-magnetometrar och SQUID vid mycket svaga fält.
Källor och hur magnetfält uppstår
Grundläggande källor till magnetfält är elektriska strömmar och magnetiska dipoler. En rörlig elektrisk laddning eller en elektrisk ström skapar ett cirkulärt magnetfält runt ledaren, vilket beskrivs av Biot–Savarts lag och Ampères lag i klassisk magnetostatik. Magnetiska dipoler, såsom små magnetiserade områden i ett material eller elementära spinn, uppträder som små fältkällor och tenderar att rotera så att deras axlar ligger parallellt med fältlinjerna; detta syns när järnfilspån arrangerar sig i linjer. Rörliga laddningar möter en magnetisk kraft som är vinkelrät mot både deras rörelseriktning och fältet, vilket kan beskrivas med Lorentzkraften; för mer om rörliga laddningar se rörliga laddningar och påverkan på partiklar i fältet se magnetisk kraft på partiklar. Olika material reagerar olika; diamagneter, paramagneter och ferromagneter visar karakteristiska beteenden diamagnism.
Teori och historisk utveckling
Begreppet magnetfält blev tydligare genom experiment och fältsynsättet under 1800-talet. Michael Faradays studier av induktion och fältlinjer samt James Clerk Maxwells formuleringar av elektromagnetism skapade den teoretiska grunden för hur elektriska och magnetiska fält hänger ihop. För historisk bakgrund se särskilt arbeten av Faraday och översikter i fysiken. Den fullständiga beskrivningen i klassisk teori återfinns i Maxwell–ekvationerna och i begreppet det elektromagnetiska fältet, som innefattas av elektromagnetism.
Tillämpningar och exempel
Magnetfält har många praktiska tillämpningar i både vardagsteknik och avancerad vetenskap. Exempel på användningsområden:
- Elektriska motorer och generatorer där växling mellan elektriska strömmar och magnetfält omvandlar energi.
- Medicinsk bildgivning som magnetisk resonanstomografi (MRI), där starka, homogena magnetfält används för att påverka atomkärnors spinn.
- Kompasser och navigation, där jordens eget magnetfält ger riktning.
- Datamedia och magnetisk lagring, där lokal magnetisering representerar information.
- Partikelacceleratorer och fältsstyrning av laddade partiklar i forskning och industri, kopplat till hur magnetiska dipoler och fält interagerar.
För praktiska experiment och visualiseringar finns instruktioner och utbildningsmaterial att söka under ämnesrubriker som fältlinjer och fältets riktning. Tekniska aspekter kring skapande av kontrollerade fält i laboratorier behandlas i resurser om ström och laddning samt specialiserade instrument (magnetism).
Särskilda typer, energi och nutida frågor
Olika fälttyper och effekter är relevanta beroende på skalan: jordmagnetfältet, fält kring permanentmagneter och mycket starka fält i forskningsanläggningar. Magnetfält bär energi; den lokala energitätheten i vakuum är proportionell mot fältstyrkans kvadrat och uttrycks i termer av B²/2μ0 i klassisk teori. Nutida forskning rör bland annat material med ovanliga magnetiska egenskaper, skaleffekter i nanomaterial och kontroll av magnetiska fält för kvantteknologi. För fördjupning i teorin och praktiska aspekter finns sammanställningar och översikter under gauss och tekniska guider SI-enheter.
Sammanfattningsvis är magnetfält ett centralt begrepp i både grundläggande fysik och tekniska tillämpningar. De förklarar hur magneter påverkar omgivningen, kopplar elektriska och magnetiska fenomen och möjliggör en mängd tekniker från energiproduktion till medicinsk diagnostik. För vidare läsning och praktiska demonstrationer se länkar till introduktioner och specialämnen som elektromagnetism, diamagnism och historiska översikter om Faradays arbete samt undervisningsmaterial i fysik.
Ytterligare resurser och specifika exempel finns att utforska under samlingar och databaser märkta för undervisning och forskning: magnetisk kraft, magneter och experimentella metoder för att mäta och visualisera fältet (fältets riktning, fältlinjer).
H-fält
Fysiker kan säga att kraften och vridmomentet mellan två magneter orsakas av att de magnetiska polerna stöter bort eller attraherar varandra. Detta är som Coulombkraften som stöter bort samma elektriska laddningar eller drar till sig motsatta elektriska laddningar. I den här modellen produceras ett magnetiskt H-fält av magnetiska laddningar som är "utspridda" runt varje pol. H-fältet är alltså som det elektriska fältet E som börjar vid en positiv elektrisk laddning och slutar vid en negativ elektrisk laddning. I närheten av nordpolen pekar alla H-fältlinjer bort från nordpolen (oavsett om de finns inuti eller utanför magneten), medan alla H-fältlinjer i närheten av sydpolen (oavsett om de finns inuti eller utanför magneten) pekar mot sydpolen. En nordpol känner alltså en kraft i H-fältets riktning medan kraften på sydpolen är motsatt till H-fältet.
I den magnetiska polmodellen bildas den elementära magnetiska dipolen m av två motsatta magnetiska poler med polstyrka qm som är åtskilda av ett mycket litet avstånd d, så att m = qm d.
Tyvärr kan magnetiska poler inte existera åtskilda från varandra. Alla magneter har nord/syd-par som inte kan skiljas åt utan att skapa två magneter som var och en har ett nord/syd-par. Magnetpoler förklarar inte heller den magnetism som uppstår genom elektriska strömmar eller den kraft som ett magnetfält tillämpar på rörliga elektriska laddningar.
H-fält och magnetiska material
H-fältet definieras som:
H ≡ B μ 0 - M , {\displaystyle \mathbf {H} \ \equiv \ \ {\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}-\mathbf {M} ,} (
definition av H i SI-enheter)
Med denna definition blir Amperes lag:
∮ H ⋅ d ℓ = ∮ ( B μ 0 - M ) ⋅ d ℓ = I t o t - I b = I f {\displaystyle \oint \mathbf {H} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}=\punkt \left({\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}}-\mathbf {M} \right)\cdot d{\boldsymbol {\ell }}=I_{\mathrm {tot} }-I_{{\mathrm {b}} }=I_{\mathrm {f} }} 
där If representerar den "fria strömmen" som omsluts av slingan, så att linjeintegralen av H inte alls beror på de bundna strömmarna. För den differentiella motsvarigheten till denna ekvation, se Maxwells ekvationer. Amperes lag leder till randvillkoret:
H 1 , ∥ - H 2 , ∥ = K f , {\displaystyle H_{1,\parallel }-H_{2,\parallel }=\mathbf {K} _{\text{f}},} 
där Kf är den fria ytströmtätheten.
På samma sätt är ett ytintegral av H över en sluten yta oberoende av de fria strömmarna och visar de "magnetiska laddningarna" inom den slutna ytan:
∮ S μ 0 H ⋅ d A = ∮ S ( B - μ 0 M ) ⋅ d A = ( 0 - ( - q M ) ) = q M , {\displaystyle \oint _{S}\mu _{0}\mathbf {H} \cdot \mathrm {d} \mathbf {A} =\oint _{S}(\mathbf {B} -\mu _{0}\mathbf {M} )\cdot \mathrm {d} \mathbf {A} =(0-(-q_{M}))=q_{M},} 
som inte beror på de fria strömmarna.
H-fältet kan därför delas upp i två oberoende delar:
H = H 0 + H d , {\displaystyle \mathbf {H} =\mathbf {H} _{0}+\mathbf {H} _{d},\,} 
där H0 är det applicerade magnetfältet som endast beror på de fria strömmarna och Hd är det avmagnetiserande fältet som endast beror på de bundna strömmarna.
Det magnetiska H-fältet omformar därför den bundna strömmen i termer av "magnetiska laddningar". H-fältets linjer går endast runt den "fria strömmen" och till skillnad från det magnetiska B-fältet börjar och slutar också nära de magnetiska polerna.
Relaterade sidor
Frågor och svar
F: Vad är ett magnetfält?
Svar: Ett magnetfält är det område runt en magnet där det finns en magnetisk kraft på grund av rörliga elektriska laddningar.
F: Hur kan man bestämma styrkan hos en magnet?
Svar: En magnets styrka kan bestämmas genom att titta på avståndet mellan de magnetiska linjerna - ju närmare varandra de är, desto starkare är magneten.
F: Vad händer när partiklar rör vid ett magnetfält?
Svar: När partiklarna rör vid magnetfältet får de en kraft från det.
F: Vad betyder det att något har sin egen energi och rörelsekraft?
S: Att ha egen energi och drivkraft innebär att något har sina egna egenskaper som gör att det kan röra sig eller agera oberoende av andra föremål eller krafter.
F: Hur mäter man styrkan hos ett magnetfält?
S: Magnetfältets styrka mäts i teslax (SI-enheter) eller gauss (cgs-enheter).
F: Vem fastställde lagen om elektromagnetism?
S: Michael Faraday fastställde lagen om elektromagnetism.
F: Vad händer när järnflingor placeras nära en magnet?
Svar: När järnflingor placeras nära en magnet rör de sig och arrangerar sig i flödeslinjer som anger magnetfältets riktning och styrka.
Relaterade artiklar
Författare
AlegsaOnline.com Magnetfält: egenskaper, ursprung och användningsområden Leandro Alegsa
URL: https://sv.alegsaonline.com/art/60624
Källor
- books.google.com : Electromagnetism