Das Magnetfeld Es ist der Einfluss, den sich bewegende elektrische Ladungen auf den sie umgebenden Raum haben. Ladungen haben immer ein elektrisches Feld, aber nur diejenigen, die in Bewegung sind, können magnetische Effekte erzeugen.
Die Existenz von Magnetismus ist seit langem bekannt. Die alten Griechen beschrieben ein Mineral, das kleine Eisenstücke anziehen kann: Es war der Lodestone oder Magnetit.
Die Weisen Thales von Milet und Platon waren damit beschäftigt, magnetische Effekte in ihren Schriften festzuhalten; Übrigens wussten sie auch über statische Elektrizität Bescheid.
Der Magnetismus wurde jedoch erst im 19. Jahrhundert mit Elektrizität in Verbindung gebracht, als Hans Christian Oersted feststellte, dass der Kompass in der Nähe eines stromführenden leitenden Drahtes abwich..
Heute wissen wir, dass Elektrizität und Magnetismus sozusagen zwei Seiten derselben Medaille sind.
Artikelverzeichnis
In der Physik der Begriff Magnetfeld Es ist eine Vektorgröße mit Modul (seinem numerischen Wert), Raumrichtung und Sinn. Es hat auch zwei Bedeutungen. Der erste ist ein Vektor, der manchmal genannt wird magnetische Induktion und wird mit bezeichnet B..
Die Einheit von B. im Internationalen Einheitensystem ist es die Tesla, abgekürzt T. Die andere Größe, die auch als Magnetfeld bezeichnet wird, ist H., auch bekannt als magnetische Feldstärke und dessen Einheit Ampere / Meter ist.
Beide Größen sind proportional, werden jedoch auf diese Weise definiert, um die Auswirkungen magnetischer Materialien auf die durch sie hindurchgehenden Felder zu berücksichtigen..
Wenn sich ein Material in der Mitte eines externen Magnetfelds befindet, hängt das resultierende Feld davon und auch von der magnetischen Reaktion des Materials ab. So B. Y. H. sind verwandt mit:
B. = μmH.
Hier μm ist eine Konstante, die vom Material abhängt und geeignete Einheiten hat, so dass beim Multiplizieren mit H. Das Ergebnis ist Tesla.
-Das Magnetfeld ist eine Vektorgröße, daher hat es Größe, Richtung und Sinn.
-Die Einheit des Magnetfeldes B. im internationalen System ist es die Tesla, abgekürzt als T, während H. ist Ampere / Meter. Andere Einheiten, die in der Literatur häufig vorkommen, sind Gauß (G) und Oersted.
-Magnetfeldlinien sind immer geschlossene Schleifen, die einen Nordpol verlassen und in einen Südpol eintreten. Das Feld berührt immer die Linien.
-Die Magnetpole erscheinen immer in einem Nord-Süd-Paar. Es ist nicht möglich, einen isolierten Magnetpol zu haben.
-Es entsteht immer aus der Bewegung elektrischer Ladungen.
-Seine Intensität ist proportional zur Größe der Last oder des Stroms, der sie erzeugt.
-Die Größe des Magnetfeldes nimmt mit der Umkehrung des Quadrats der Entfernung ab.
-Magnetfelder können sowohl zeitlich als auch räumlich konstant oder variabel sein..
-Ein Magnetfeld kann eine Magnetkraft auf eine sich bewegende Ladung oder einen stromführenden Draht ausüben.
Ein Stabmagnet hat immer zwei Magnetpole: den Nordpol und den Südpol. Es ist sehr einfach zu überprüfen, ob sich Pole desselben Zeichens abstoßen, während sich Pole unterschiedlichen Typs anziehen.
Dies ist ziemlich ähnlich zu dem, was mit elektrischen Ladungen passiert. Es kann auch beobachtet werden, dass je näher sie sind, desto größer die Kraft ist, mit der sie sich gegenseitig anziehen oder abstoßen..
Stabmagnete weisen ein charakteristisches Muster von Feldlinien auf. Es sind scharfe Kurven, die den Nordpol verlassen und in den Südpol eintreten.
Ein einfaches Experiment, um diese Linien zu beobachten, besteht darin, Eisenspäne auf einem Blatt Papier zu verteilen und einen Stabmagneten darunter zu platzieren..
Die Intensität des Magnetfeldes ist in Abhängigkeit von der Dichte der Feldlinien angegeben. Diese sind in der Nähe der Pole immer am dichtesten und breiten sich aus, wenn wir uns vom Magneten entfernen..
Der Magnet ist auch als magnetischer Dipol bekannt, bei dem die beiden Pole genau die Nord- und Südmagnetpole sind.
Aber sie können niemals getrennt werden. Wenn Sie den Magneten halbieren, erhalten Sie zwei Magnete mit jeweils Nord- und Südpol. Isolierte Pole werden genannt magnetische Monopole, Bisher war es jedoch nicht möglich, irgendwelche zu isolieren.
Man kann von verschiedenen Magnetfeldquellen sprechen. Sie reichen von magnetischen Mineralien über die Erde selbst, die sich wie ein großer Magnet verhält, bis hin zu Elektromagneten..
Die Wahrheit ist jedoch, dass jedes Magnetfeld seinen Ursprung in der Bewegung geladener Teilchen hat.
Später werden wir sehen, dass die ursprüngliche Quelle allen Magnetismus in den winzigen Strömen innerhalb des Atoms liegt, hauptsächlich in denen, die aufgrund der Bewegungen der Elektronen um den Kern und der im Atom vorhandenen Quanteneffekte erzeugt werden..
In Bezug auf seinen makroskopischen Ursprung kann man jedoch an natürliche und künstliche Quellen denken..
Natürliche Quellen "schalten" sich im Prinzip nicht aus, sie sind Permanentmagnete, es muss jedoch berücksichtigt werden, dass Wärme den Magnetismus der Substanzen zerstört..
Bei künstlichen Quellen kann der magnetische Effekt unterdrückt und gesteuert werden. Deshalb haben wir:
-Magnete natürlichen Ursprungs, hergestellt aus magnetischen Mineralien wie Magnetit und Maghemit, beides Eisenoxide.
-Elektrische Ströme und Elektromagnete.
In der Natur gibt es verschiedene Verbindungen, die bemerkenswerte magnetische Eigenschaften aufweisen. Sie können beispielsweise Eisen- und Nickelstücke sowie andere Magnete anziehen.
Die genannten Eisenoxide wie Magnetit und Maghemit sind Beispiele für diese Substanzklasse..
Das magnetische Suszeptibilität ist der Parameter, mit dem die magnetischen Eigenschaften von Gesteinen quantifiziert werden. Grundlegende magmatische Gesteine sind aufgrund ihres hohen Magnetitgehalts diejenigen mit der höchsten Anfälligkeit.
Auf der anderen Seite gibt es ein zugehöriges Magnetfeld, solange Sie einen Draht haben, der Strom führt. Hier haben wir eine andere Möglichkeit, ein Feld zu erzeugen, das in diesem Fall die Form konzentrischer Kreise mit dem Draht hat.
Die Bewegungsrichtung des Feldes wird durch die Regel des rechten Daumens vorgegeben. Wenn der Daumen der rechten Hand in Richtung des Stroms zeigt, zeigen die verbleibenden vier Finger die Richtung an, in die die Feldlinien gebogen sind..
Ein Elektromagnet ist ein Gerät, das aus elektrischen Strömen Magnetismus erzeugt. Es hat den Vorteil, dass es nach Belieben ein- und ausgeschaltet werden kann. Wenn der Strom aufhört, verschwindet das Magnetfeld. Zusätzlich kann auch die Feldstärke gesteuert werden.
Elektromagnete sind Teil verschiedener Geräte, darunter Lautsprecher, Festplatten, Motoren und Relais..
Das Vorhandensein eines Magnetfeldes kann überprüft werden B. mittels einer elektrischen Prüfladung - genannt Was- und lassen Sie es mit Geschwindigkeit bewegen v. Hierfür ist das Vorhandensein von elektrischen Feldern und Gravitationsfeldern zumindest vorerst ausgeschlossen..
In diesem Fall die Kraft, die die Last erfährt Was, welches als bezeichnet wird F.B., es ist ganz auf den Einfluss des Feldes zurückzuführen. Qualitativ wird folgendes beobachtet:
-Die Größe von F.B. ist proportional zu Was und schnell v.
-Wenn die v ist parallel zum Magnetfeldvektor die Größe von F.B. ist Null.
-Die Magnetkraft ist senkrecht zu beiden v mögen B..
-Schließlich ist die Größe der Magnetkraft proportional zu sen θ, Sein θ der Winkel zwischen dem Geschwindigkeitsvektor und dem Magnetfeldvektor.
Alle oben genannten Punkte gelten sowohl für positive als auch für negative Ladungen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Richtung der Magnetkraft umgekehrt ist.
Diese Beobachtungen stimmen mit dem Vektorprodukt zwischen zwei Vektoren überein, so dass die Magnetkraft einer Punktladung ausgesetzt ist Was, das bewegt sich mit Geschwindigkeit v in der Mitte eines Magnetfeldes ist:
F.B. = q v x B.
Wessen Modul ist:
F.B. = q.v.B.sen θ
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, zum Beispiel:
-Durch Magnetisierung einer geeigneten Substanz.
-Leiten eines elektrischen Stroms durch einen leitenden Draht.
Der Ursprung des Magnetismus in der Materie wird jedoch dadurch erklärt, dass man sich daran erinnert, dass er mit der Bewegung von Ladungen verbunden sein muss.
Ein Elektron, das den Kern umkreist, ist im Wesentlichen eine winzige geschlossene Stromschleife, die jedoch wesentlich zum Magnetismus des Atoms beitragen kann. In einem Stück magnetischem Material befinden sich viele Elektronen.
Dieser Beitrag zum Magnetismus des Atoms heißt magnetisches Orbitalmoment. Aber es gibt noch mehr, denn die Translation ist nicht die einzige Bewegung des Elektrons. Dieser hat auch magnetisches Moment drehen, ein Quanteneffekt, dessen Analogie die einer Drehung des Elektrons um seine Achse ist.
Tatsächlich ist das magnetische Spinmoment die Hauptursache für den Magnetismus eines Atoms..
Das Magnetfeld kann abhängig von der Verteilung der Ströme, aus denen es stammt, viele Formen annehmen. Dies kann wiederum nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich oder beides gleichzeitig variieren..
-In der Nähe der Pole eines Elektromagneten gibt es ein annähernd konstantes Feld.
-Auch innerhalb eines Solenoids wird ein Feld mit hoher Intensität und Gleichmäßigkeit erhalten, wobei die Feldlinien entlang der axialen Achse gerichtet sind.
-Das Erdmagnetfeld nähert sich dem Feld eines Stabmagneten ziemlich gut an, insbesondere in der Nähe der Oberfläche. Weiter entfernt verändert der Sonnenwind elektrische Ströme und verformt sie merklich.
-Ein stromführender Draht hat ein Feld in Form von Kreisen, die konzentrisch zum Draht sind.
In Bezug darauf, ob das Feld im Laufe der Zeit variieren kann oder nicht, haben wir:
-Statische Magnetfelder, wenn sich weder ihre Größe noch ihre Richtung im Laufe der Zeit ändern. Das Feld eines Stabmagneten ist ein gutes Beispiel für diese Art von Feld. Auch solche, die von Drähten stammen, die stationäre Ströme führen.
-Variable Felder mit der Zeit, wenn eines ihrer Merkmale mit der Zeit variiert. Eine Möglichkeit, sie zu erhalten, sind Wechselstromgeneratoren, die das Phänomen der magnetischen Induktion nutzen. Sie sind in vielen häufig verwendeten Geräten zu finden, beispielsweise in Mobiltelefonen.
Wenn die Form des Magnetfelds berechnet werden soll, das durch eine Verteilung der Ströme erzeugt wird, kann das Biot-Savart-Gesetz verwendet werden, das 1820 von den französischen Physikern Jean Marie Biot (1774-1862) und Felix Savart (1791) entdeckt wurde -1841).).
Für einige Stromverteilungen mit einfachen Geometrien kann ein mathematischer Ausdruck für den Magnetfeldvektor direkt erhalten werden.
Angenommen, wir haben ein Drahtsegment unterschiedlicher Länge dl das führt einen elektrischen Strom ich. Es wird auch angenommen, dass sich der Draht im Vakuum befindet. Das Magnetfeld, das diese Verteilung erzeugt:
-Verringert sich mit der Umkehrung des Quadrats des Abstands zum Draht.
-Sie ist proportional zur Stromstärke ich das geht durch den Draht.
-Seine Richtung ist tangential zum Radiusumfang r zentriert auf dem Draht und seine Bedeutung wird durch die Regel des rechten Daumens gegeben.
-μoder = 4π. 10-7 T.m / A.
-dB. ist ein Magnetfelddifferential.
-ich ist die Intensität des durch den Draht fließenden Stroms.
-r ist der Abstand zwischen der Mitte des Drahtes und dem Punkt, an dem Sie das Feld finden möchten.
-dl ist der Vektor, dessen Größe die Länge des Differentialsegments ist dl.
-r ist der Vektor, der vom Draht zu dem Punkt geht, an dem Sie das Feld berechnen möchten.
Nachfolgend finden Sie zwei Beispiele für Magnetfelder und ihre analytischen Ausdrücke.
Mit Hilfe des Biot-Savart-Gesetzes ist es möglich, das Feld zu erhalten, das von einem dünnen endlichen Leiterdraht erzeugt wird, der einen Strom I führt. Durch Integrieren entlang des Leiters und Nehmen des Grenzfalls, in dem er sehr lang ist, der Größe des Feldes Ergebnis:
Die Helmholtz-Spule besteht aus zwei identischen und konzentrischen Kreisspulen, an die der gleiche Strom geleitet wird. Sie dienen dazu, ein annähernd gleichmäßiges Magnetfeld im Inneren zu erzeugen.
Seine Größe in der Mitte der Spule ist:
Y ist entlang der axialen Achse gerichtet. Die Faktoren der Gleichung sind:
-N. repräsentiert die Anzahl der Windungen der Spulen
-ich ist die Größe des Stroms
-μoder ist die magnetische Permeabilität des Vakuums
-R. ist der Radius der Spulen.
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