Wie funktionieren Magnetfelder?

Inhalt

• Magnetfelder Wissenschaft
• Wie bestimmen Sie das Magnetfeld?
• Arten von Magneten
• Magnetkraft
• Magnetfelder und elektrische Felder
• Produktübergreifendes Magnetfeld
• Magnetfeld im Alltag

••• Syed Hussain Ather

Magnetfelder Beschreiben Sie, wie sich die Magnetkraft im Raum um Objekte verteilt. Für ein magnetisches Objekt verlaufen die Magnetfeldlinien im Allgemeinen vom Nordpol zum Südpol, genau wie für das Erdmagnetfeld (siehe Abbildung oben).

Die gleiche Magnetkraft, die Objekte an den Oberflächen von Kühlschränken haften lässt, wird im Erdmagnetfeld verwendet, das die Ozonschicht vor schädlichem Sonnenwind schützt. Das Magnetfeld bildet Energiepakete, die verhindern, dass die Ozonschicht Kohlendioxid verliert.

Sie können dies beobachten, indem Sie Eisenspäne, kleine pulverförmige Eisenstücke, in Gegenwart eines Magneten einfüllen. Legen Sie einen Magneten unter ein Stück Papier oder ein leichtes Tuch. Gießen Sie die Eisenspäne ein und beobachten Sie die Formen und Formationen, die sie annehmen. Bestimmen Sie, welche Feldlinien vorhanden sein müssen, damit sich die Feilspäne gemäß der Magnetfeldphysik so anordnen und verteilen.

Je dichter die von Norden nach Süden gezogenen Magnetfeldlinien sind, desto stärker ist das Magnetfeld. Diese Nord- und Südpole bestimmen auch, ob magnetische Objekte attraktiv (zwischen Nord- und Südpol) oder abstoßend (zwischen identischen Polen) sind. Magnetfelder werden in Einheiten von Tesla gemessen, T.

Magnetfelder Wissenschaft

Da sich Magnetfelder bilden, wenn Ladungen in Bewegung sind, werden Magnetfelder durch elektrischen Strom durch Drähte induziert. In diesem Feld können Sie die potenzielle Stärke und Richtung einer Magnetkraft in Abhängigkeit vom Strom durch ein elektrisches Kabel und der Entfernung, die der Strom zurücklegt, beschreiben. Magnetfeldlinien bilden konzentrische Kreise um Drähte. Die Richtung dieser Felder kann über die "Rechtsregel" bestimmt werden.

Diese Regel besagt, dass, wenn Sie Ihren rechten Daumen in die Richtung des elektrischen Stroms durch einen Draht bewegen, die resultierenden Magnetfelder in die Richtung weisen, in der sich Ihre Hände und Finger kräuseln. Mit größerem Strom wird ein größeres Magnetfeld induziert.

Wie bestimmen Sie das Magnetfeld?

Sie können verschiedene Beispiele für die Rechtsregel, eine allgemeine Regel zur Bestimmung der Richtung verschiedener Größen, die ein Magnetfeld, eine Magnetkraft und einen Strom beinhalten. Diese Faustregel ist in vielen Fällen für Elektrizität und Magnetismus nützlich, wie es die Mathematik der Größen vorschreibt.

••• Syed Hussain Ather

Diese Rechtsregel kann für einen Magneten auch in die andere Richtung angewendet werden Magnetoder eine Reihe elektrischer Ströme, die in Drähte um einen Magneten gewickelt sind. Wenn Sie Ihren rechten Daumen in Richtung des Magnetfelds richten, werden Ihre rechten Finger in Richtung des elektrischen Stroms gewickelt. Mit Solenoiden können Sie die Kraft des Magnetfelds durch elektrische Ströme nutzen.

••• Syed Hussain Ather

Wenn sich eine elektrische Ladung ausbreitet, wird das Magnetfeld erzeugt, während die sich drehenden und bewegenden Elektronen selbst magnetische Objekte werden. Elemente, die ungepaarte Elektronen in ihren Grundzuständen haben, wie Eisen, Kobalt und Nickel, können so ausgerichtet werden, dass sie Permanentmagnete bilden. Das von den Elektronen dieser Elemente erzeugte Magnetfeld lässt elektrischen Strom leichter durch diese Elemente fließen. Magnetfelder selbst können sich auch gegenseitig aufheben, wenn sie in entgegengesetzter Richtung gleich groß sind.

Strom fließt durch eine Batterie ich gibt ein magnetisches Feld ab B im Radius r nach der Gleichung für Ampères Gesetz: B = 2πr μ_{0 ​}ich wo μ₀ ist die magnetische Konstante der Vakuumdurchlässigkeit, 1,26 x 10^-6 Hm ("Henries per meter", in dem Henries die Einheit der Induktivität ist). Durch Erhöhen des Stroms und Annäherung an den Draht wird das resultierende Magnetfeld erhöht.

Arten von Magneten

Damit ein Objekt magnetisch ist, müssen sich die Elektronen, aus denen das Objekt besteht, frei um und zwischen Atomen im Objekt bewegen können. Für ein magnetisches Material sind Atome mit ungepaarten Elektronen desselben Spins ideale Kandidaten, da diese Atome sich paaren können, damit Elektronen frei fließen können. Das Testen von Materialien in Gegenwart von Magnetfeldern und das Untersuchen der magnetischen Eigenschaften der Atome, aus denen diese Materialien bestehen, können Aufschluss über deren Magnetismus geben.

Ferromagnete haben diese Eigenschaft, dass sie permanent magnetisch sind. ParamagneteIm Gegensatz dazu zeigen sie keine magnetischen Eigenschaften, es sei denn, in Gegenwart eines Magnetfeldes werden die Spins der Elektronen so ausgerichtet, dass sie sich frei bewegen können. Diamagnete atomare Zusammensetzungen aufweisen, so dass sie von Magnetfeldern überhaupt nicht oder nur sehr wenig beeinflusst werden. Sie haben keine oder wenige ungepaarte Elektronen, durch die Ladungen fließen können.

Paramagnete funktionieren, weil sie aus Materialien bestehen, die es immer gegeben hat magnetische Momente, bekannt als Dipole. Diese Momente sind ihre Fähigkeit, sich aufgrund des Spins ungepaarter Elektronen in den Orbitalen der Atome, aus denen diese Materialien bestehen, mit einem externen Magnetfeld auszurichten. Bei Vorhandensein eines Magnetfelds richten sich die Materialien so aus, dass sie der Kraft des Magnetfelds entgegenwirken. Paramagnetische Elemente umfassen Magnesium, Molybdän, Lithium und Tantal.

In einem ferromagnetischen Material ist der Dipol der Atome permanent, normalerweise infolge des Erwärmens und Abkühlens von paramagnetischem Material. Dies macht sie zu idealen Kandidaten für Elektromagnete, Motoren, Generatoren und Transformatoren für den Einsatz in elektrischen Geräten. Diamagnete hingegen können eine Kraft erzeugen, die Elektronen in Form von Strom frei fließen lässt und dann ein Magnetfeld erzeugt, das dem an sie angelegten Magnetfeld entgegengesetzt ist. Dies löscht das Magnetfeld und verhindert, dass sie magnetisch werden.

Magnetkraft

Magnetfelder bestimmen, wie Magnetkräfte in Gegenwart von magnetischem Material verteilt werden können. Während elektrische Felder die elektrische Kraft in Gegenwart eines Elektrons beschreiben, haben magnetische Felder kein derartiges analoges Teilchen, auf das sich die magnetische Kraft beschreiben lässt. Wissenschaftler haben angenommen, dass ein magnetischer Monopol existiert, aber es gab keine experimentellen Beweise dafür, dass diese Partikel existieren. Wenn sie existieren würden, würden diese Teilchen eine magnetische "Ladung" haben, ähnlich wie geladene Teilchen elektrische Ladungen haben.

Die Magnetkraft ergibt sich aus der elektromagnetischen Kraft, die sowohl die elektrischen als auch die magnetischen Komponenten von Partikeln und Gegenständen beschreibt. Dies zeigt, wie intrinsischer Magnetismus zu denselben Phänomenen der Elektrizität wie Strom und elektrisches Feld gehört. Die Ladung eines Elektrons bewirkt, dass das Magnetfeld es ähnlich wie das elektrische Feld und die elektrische Kraft durch die magnetische Kraft ablenkt.

Magnetfelder und elektrische Felder

Während nur sich bewegende geladene Teilchen Magnetfelder abgeben und alle geladenen Teilchen elektrische Felder abgeben, sind magnetische und elektromagnetische Felder Teil derselben fundamentalen Kraft des Elektromagnetismus. Die elektromagnetische Kraft wirkt zwischen allen geladenen Teilchen im Universum. Die elektromagnetische Kraft hat die Form alltäglicher Phänomene in Elektrizität und Magnetismus wie statische Elektrizität und elektrisch geladene Bindungen, die Moleküle zusammenhalten.

Diese Kraft bildet neben chemischen Reaktionen auch die Grundlage für die elektromotorische Kraft, die den Strom durch Schaltkreise fließen lässt. Wenn ein Magnetfeld mit einem elektrischen Feld verflochten betrachtet wird, ist das resultierende Produkt als elektromagnetisches Feld bekannt.

Das Lorentzkraftgleichung F = qE + qv × B beschreibt die Kraft auf ein geladenes Teilchen q sich mit Geschwindigkeit bewegen v in Gegenwart eines elektrischen Feldes E und magnetisches Feld B. In dieser Gleichung ist die X zwischen Vgl und B steht für das Kreuzprodukt. Die erste Amtszeit qE ist der Beitrag des elektrischen Feldes zur Kraft und der zweite Term Siehe x B ist der Magnetfeldbeitrag.

Die Lorentz-Gleichung sagt Ihnen auch, dass die magnetische Kraft zwischen Ladungsgeschwindigkeit v und das Magnetfeld B ist qvbsinϕ gegen Gebühr q wo ϕ ("phi") ist der Winkel zwischen v und B, der kleiner als 1_80_ Grad sein muss. Liegt der Winkel zwischen v und B größer ist, sollten Sie den Winkel in die entgegengesetzte Richtung verwenden, um dies zu beheben (aus der Definition eines Kreuzprodukts). Wenn _ϕ_ 0 ist, wie in, zeigen Geschwindigkeit und Magnetfeld in die gleiche Richtung, beträgt die Magnetkraft 0. Das Teilchen bewegt sich weiter, ohne durch das Magnetfeld abgelenkt zu werden.

Produktübergreifendes Magnetfeld

••• Syed Hussain Ather

Im obigen Diagramm ist das Kreuzprodukt zwischen zwei Vektoren ein und b ist c. Beachten Sie die Richtung und Größe von c. Es ist in der Richtung senkrecht zu ein und b wenn durch die rechte Regel gegeben. Die rechte Regel bedeutet, dass die Richtung des resultierenden Kreuzprodukts c wird durch die Richtung Ihres Daumens angegeben, wenn sich Ihr rechter Zeigefinger in der Richtung von befindet b und dein rechter Mittelfinger ist in der Richtung von ein.

Das Kreuzprodukt ist eine Vektoroperation, die den Vektor senkrecht zu beiden ergibt Vgl und B gegeben durch die rechte Regel der drei Vektoren und mit der Größe der Fläche des Parallelogramms, die die Vektoren Vgl und B Spanne. Die rechte Regel bedeutet, dass Sie die Richtung des Kreuzprodukts zwischen bestimmen können Vgl und B indem Sie Ihren rechten Zeigefinger in Richtung von platzieren B, dein Mittelfinger in Richtung Vglund die resultierende Richtung Ihres Daumens ist die Querproduktrichtung dieser beiden Vektoren.

••• Syed Hussain Ather

Im obigen Diagramm zeigt die rechte Regel auch die Beziehung zwischen Magnetfeld, Magnetkraft und Strom durch einen Draht. Dies zeigt auch, dass das Kreuzprodukt zwischen diesen drei Größen die Rechtsregel darstellen kann, da das Kreuzprodukt zwischen Kraftrichtung und Feld gleich der Stromrichtung ist.

Magnetfeld im Alltag

In der Magnetresonanztomographie werden Magnetfelder von etwa 0,2 bis 0,3 Tesla verwendet. Die MRT ist eine Methode, mit der Ärzte die inneren Strukturen des Körpers eines Patienten wie Gehirn, Gelenke und Muskeln untersuchen. Dies geschieht im Allgemeinen, indem der Patient in ein starkes Magnetfeld gebracht wird, so dass das Feld entlang der Körperachse verläuft. Wenn Sie sich vorstellen, dass der Patient ein Magnetspule wäre, würden sich die elektrischen Ströme um seinen Körper wickeln und das Magnetfeld würde in vertikaler Richtung in Bezug auf den Körper gerichtet sein, wie dies durch die Rechtsregel vorgegeben ist.

Wissenschaftler und Ärzte untersuchen dann, wie Protonen von ihrer normalen Ausrichtung abweichen, um die Strukturen im Körper eines Patienten zu untersuchen. Dadurch können Ärzte sichere, nicht-invasive Diagnosen für verschiedene Zustände stellen.

Die Person fühlt das Magnetfeld während des Prozesses nicht, aber da sich im menschlichen Körper so viel Wasser befindet, richten sich die Wasserstoffkerne (die Protonen sind) aufgrund des Magnetfelds aus.Der MRT-Scanner verwendet ein Magnetfeld, von dem die Protonen Energie absorbieren. Wenn das Magnetfeld ausgeschaltet wird, kehren die Protonen in ihre normalen Positionen zurück. Das Gerät verfolgt dann diese Positionsänderung, um zu bestimmen, wie die Protonen ausgerichtet sind, und um ein Bild des Inneren des Körpers des Patienten zu erstellen.