Magnetické pole je neviditelné fyzické pole generované přesunem elektrických nábojů, magnetických materiálů nebo měnícím se elektrickým polem, které mohou vyvinout sílu na magnetické materiály nebo pohyblivé elektrické náboje. Jedná se o vektorové pole s velikostí a směrem a často se měří z hlediska magnetické indukce. Magnetické pole kolem magnetu přitahuje podávání železa, zatímco magnetické pole kolem drátu přenášení proudu může odklonit kompasovou jehlu. Magnetické pole souvisí s elektrickým polem a měnící se elektrické pole může generovat magnetické pole (Maxwellovy rovnice) a naopak, což je jeden z hlavních základů elektromagnetických jevů.
Původ magnetického pole
Magnetické pole je fyzický jev způsobený pohybem elektrických nábojů nebo elektrickým polem, které se v průběhu času mění. Původ magnetického pole byl vždy důležitým tématem výzkumu pro vědce. Souvisí to s naším chápáním fyzického světa a lze jej chápat na mikroskopických i makroskopických úrovních.
Mikroúrovně
Magnetická pole pocházejí z pohybu nabitých částic a kvantových mechanických vlastností na mikroskopické úrovni. Kvantová elektrodynamika ukazuje, že rotace nabitých částic vytváří mikroskopické magnetické momenty. Když jsou tyto magnetické momenty objednány v materiálu, materiál vykazuje makroskopický magnetismus. Směrový pohyb volných elektronů ve vodiči navíc vytváří obklíčení magnetického pole podle zákona o biot-savartu. Na hlubší úrovni je magnetické pole součástí elektromagnetického pole a společně s elektrickým polem tvoří tenzorový popis elektromagnetického pole.
Makro úroveň
Magnetické pole je vektorové pole se směrem a velikostí a jeho distribuci lze popsat liniemi magnetického toku. Magnetické pole Země je typické makroskopické magnetické pole, které pochází z konvekce slitiny kapalného železa v jádru. V astrofyzice jsou komplexní magnetická pole tvořena separací a rotací plazmatických nábojů. V inženýrství mohou být specifická magnetická pole konstruována uspořádáním solenoidových cívek nebo permanentních magnetů. Tato makroskopická magnetická pole se řídí klasickými elektromagnetickými zákony Maxwellových rovnic.
Co je to magnetické pole?
Ve světě kolem nás je neviditelná, ale skutečná síla skrytá -může udržovat kompas směřující na sever, rychle se roztočit elektrický motor a dokonce chránit život na Zemi před kosmickým zářením. Tato magická síla pochází z magnetického pole.
Definice magnetického pole
Magnetické pole je speciální fyzické pole, které existuje kolem magnetu nebo se generuje, když elektrický proud prochází vodičem. Může vyvinout sílu na jiné magnety nebo pohyblivé elektrické náboje.
Základní vlastnosti magnetických polí
1. Silný účinek na magnety a elektrické proudy
Nejvýznamnějším rysem magnetického pole je to, že může vyvinout sílu. Dva magnety se budou přitahovat nebo odpuzovat, když jsou blízko u sebe, na magnetickou sílu bude působit ampere síla v magnetickém poli a na tomto principu pracují elektrické motory a generátory.
2. SměrnostiMAgnetickáFIELD
Magnetická pole jsou směrová a obvykle jsou popsána liniemi magnetického toku. Tangentní směr linek magnetického toku označuje v tomto bodě směr magnetického pole, zatímco hustota linií magnetického toku odráží sílu magnetického pole. Čáry magnetického toku lišty magnetu začínají z n pólu a vrátí se na pól S.
3. SuperpoziceMAgnetickáFIELDS
Pokud je ve vesmíru více zdrojů magnetického pole, magnetická pole, která generují, se na sebe převrhnou a vytvoří kombinované magnetické pole. Tato vlastnost nám umožňuje vypočítat distribuci magnetického pole komplexních elektromagnetických systémů.
Jak jsou generována magnetická pole?
Generování magnetického pole je důležitým jevem ve fyzice, který úzce souvisí s pohybem elektrických nábojů. Původ magnetického pole může být vysledován zpět k pohybu elektrických nábojů. Ať už se jedná o pohyb mikroskopických částic nebo tok makroskopického proudu, může stimulovat magnetické pole.
Elektrický proud generuje magnetické pole
Magnetický pole lineárního proudu: Magnetické pole je generováno kolem proudového vodiče. Jeho směr sleduje pravidlo šroubu pravého ruku. Magnetické linie síly jsou soustředné kruhy. Čím blíže k vodiči, tím silnější magnetické pole. Vzorec intenzity je B =2 πrμ 0 i.
Magnetickýpole kruhového proudu: Podobně jakoBar Magnet, Magnetické pole centrální osy je podél směru osy a intenzitu lze vyřešit integrací zákona o biot-savartu, který se často používá pro zaostření elektronového paprsku.
Magnetické pole solenoidového proudu: Když je solenoid pod napětím, vnitřní magnetické pole je silné a jednotné a směr je podél osy. Vzorec síly je b {{0}} μ0ni. V elektromagnetách a jiných zařízeních se široce používá k přilákání feromagnetických materiálů k řízení mechanických zařízení.
Magnetické materiály generují magnetická pole
PřírodnímAgnetickámAteriály:Země je obrovský magnet a jeho magnetické pole je generováno hlavně kapalným vnějším jádrem, který hraje důležitou roli v biologické migraci a ochraně proti kosmickým paprskům. Magnetit je přirozený magnetický materiál se spontánním magnetizačním jevem, který byl ve starověku používán pro navigaci kompasu.
UmělýmAgnetickámAteriály: Trvalé magnety, jako jeNeodymium Iron Boron magnety, které jsou vyrobeny vysokoteplotním slinováním a dalšími procesy k zarovnání magnetických momentů a generování stabilního magnetického pole.
Změna elektrických polí generuje magnetická pole
Maxwell-Faraday'slAW:Změna magnetického toku v uzavřeném obvodu vytváří indukovanou elektromotorickou sílu a proud. Transformátor používá alternativní proud primární cívky ke generování měnícího se magnetického pole a sekundární cívka indukuje elektromotorickou sílu a proud k dosažení přeměny napětí.
PropagaceelektromagnetickýwAVES: Elektromagnetické vlny se šíří v prostoru interakcí časově proměnných elektrických a magnetických polí a šíří se ve vakuu rychlostí světla. Rádiové vlny jsou generovány rychle se měnícím proudem v přenosové anténě a vytvářejí měnící se elektrická a magnetická pole, která interagují a šíří se na vzdálená místa.
Jak měříme magnetická pole?
Existuje mnoho způsobů, jak měřit magnetická pole. Následující jsou běžné techniky měření magnetického pole.
Pomocí magnetometru
Magnetometr je nástroj speciálně používaný k měření síly magnetického pole. Detekuje účinek magnetického pole na nosiče náboje v proudovém vodiči nebo polovodiči, vytváří napětí Hall úměrné síle magnetického pole a tak vypočítá pevnost magnetického pole. Přístroj se snadno ovládá a má vysokou přesnost měření.
Použití měřiče toku
Fluxmetr je založen na Faradayově zákonu elektromagnetické indukce. Nepřímo měří magnetický tok detekováním indukované elektromotorické síly cívky a poté určuje distribuci magnetického pole. Často se používá k měření uniformity magnetického pole, detekce distribuce magnetického pole a studování charakteristik magnetických materiálů.
ElektronBEAMDEflexeMethod (Sutatelný proSpecificEnVironmentsSuch jakoLAboratoře)
Vychytávání elektronového paprsku je metoda měření magnetického pole v laboratoři. Jeho principem je použít Lorentzovu sílu magnetického pole na elektronech k odklonění elektronového paprsku. Síla magnetického pole se vypočítá měřením úhlu vychylování a známých parametrů, jako je elektronová rychlost.
CoJsoufaktory, které ovlivňují magnetické pole?
Faktory, které ovlivňují magnetické pole, zahrnují hlavně následující:
Současný faktor
Velikost proudu je úměrná síle magnetického pole. Když se proud v solenoidu zvyšuje, zvyšuje se magnetické pole a adsorpční kapacita. Když se změní směr proudu, změní se také směr magnetického pole, což může změnit směr magnetických pólů elektromagnetu. Aktuální cesta ovlivňuje rozdělení magnetického pole. Přímý proud produkuje soustředná magnetická pole a kruhový proud vytváří magnetické pole podél osy na ose. Jeho síla souvisí se současným a poloměrem.
Magnetické materiály
Typ, tvar a stupeň magnetizace magnetických materiálů ovlivní jejich charakteristiky magnetického pole. Měkké magnetické materiály se snadno magnetizují a demagnetizují a často se používají v transformátorech; Tvrdé magnetické materiály mají vysokou koercivitu a je obtížné je demagnetizovat a většinou se používají v permanentních magnetech. Tvar materiálu také ovlivní rozdělení magnetického pole. Magnetické pole barového magnetu je koncentrováno na obou koncích, zatímco magnetické pole prstencového magnetu je distribuováno uvnitř i vně. Čím vyšší je stupeň magnetizace, tím větší je síla magnetického pole. Pevnost magnetického pole může být upravena změnou počtu zatáček a proudu cívky elektromagnetu tak, aby vyhovovala různým potřebám.
Vnější faktory
Zvýšení teploty oslabí magnetický materiál a trvalé magnety ztratí magnetismus při vysokých teplotách. Vnější magnetická pole budou narušovat původní magnetické pole, zvýšit jej stejným směrem a snížit je v opačném směru. Tento princip používá technologie elektromagnetického stínění. Mechanické napětí může také změnit charakteristiky magnetického pole magnetických materiálů.
Jak vidíme síly v magnetických polích?
Magnetické pole je neviditelný fyzický jev, který existuje kolem magnetů a vodičů, které nesou elektřinu. Ačkoli nevidíme magnetické pole přímo s našimi pouhýma očima, prostřednictvím některých chytrých experimentálních metod můžeme nepřímo „vidět“ síly v magnetickém poli a prozkoumat jeho zákony.
Použití podání magnetu a železa (vizualizace linek magnetického pole)
Linie magnetického pole jsou nástrojem pro popis distribuce magnetických polí a mohou intuitivně ukázat směr a sílu magnetického pole. Když jsou železné podání rozptýleny kolem barového magnetu, budou uspořádány podél linií magnetického pole a směřují z pólu N na pól na vnější straně a z pólu S zpět do pólu na vnitřní straně a vytvoří uzavřenou smyčku. Železné podání jsou husté poblíž magnetických pólů a magnetické pole je silné, zatímco železo jsou řídké ve střední oblasti a magnetické pole je slabé. Tento jev živě ukazuje distribuční zákon magnetického pole.
Sledujte interakci mezi magnety
Síla mezi magnety se projevuje jako póly, které se navzájem odpuzují a na rozdíl od pólů, které se navzájem přitahují, a velikost síly se zvyšuje s klesající vzdáleností. Přes jarní dynamometr lze pozorovat, že se čtení zvyšuje, když jsou póly těsně u sebe a čtení klesá, když jsou na rozdíl od pólů blízko u sebe. Síla magnetického pole je vektor a jeho směr je podél linie spojující póly. Velikost závisí na síle magnetismu a vzdálenosti.
Pomocí pohybu elektrického proudu v magnetickém poli
Když je elektrický proud v magnetickém poli, působí na něj ampere síla, která je kolmá na směr proudu a magnetického pole a může být stanovena pravým pravidlem. Velikost síly ampere je úměrná proudu, síle magnetického pole a délku drátu. Pomocí tohoto principu mohou být zařízení, jako jsou motory, vyrobit pro přeměnu elektrické energie na mechanickou energii.
Praktické aplikace magnetických polí
V odvětví elektrického elektrárny:Generátory a transformátory používají princip elektromagnetické indukce k dosažení vzájemné přeměny elektrické energie a mechanické energie.
LékařskýfIELD:Magnetická rezonance zobrazování (MRI) používá silná magnetická pole k získání obrazů interiéru lidského těla s vysokým rozlišením, což z něj činí důležitý nástroj pro diagnostiku onemocnění.
VtermstRanssportace:Maglev vlaky se spoléhají na odpudivou sílu generovanou magnetickým polem k dosažení bezkontaktního vysokorychlostního provozu, což výrazně snižuje ztráty tření.
Shrnout
Jako jedna ze základních přírodních sil hraje magnetické pole důležitou roli od mikroskopických částic do kosmického měřítka. Pochopení magnetických oblastí nám nejen pomáhá ovládat principy moderní vědy a technologie, ale také nám pomáhá lépe porozumět fyzickému světu, ve kterém žijeme. S rozvojem vědy o materiálech a kvantové technologii budou vyhlídky na magnetická pole v energii, medicíně, informačních technologiích a dalších oborech širší.