תוֹכֶן
- מדע שדות מגנטיים
- איך קובעים שדה מגנטי?
- סוגי מגנטים
- כוח מגנטי
- שדות מגנטיים ושדות חשמליים
- תוצרת שדה מגנטית
- שדה מגנטי בחיי היומיום
שדה מגנטי לתאר כיצד הכוח המגנטי מופץ בחלל סביב עצמים. באופן כללי, עבור אובייקט שהוא מגנטי, קווי השדה המגנטי נעים מהאובייקטים הצפוניים לקוטב הדרומי, בדיוק כמו שהם עושים עבור השדה המגנטי של כדור הארץ, כפי שמוצג בתרשים לעיל.
אותו כוח מגנטי שגורם לאובייקטים להידבק למשטחי מקרר משמש בשדה המגנטי של כדור הארץ המגן על שכבת האוזון מפני רוח שמש מזיקה. השדה המגנטי יוצר חבילות אנרגיה המונעות מאבדן שכבת האוזון דו תחמוצת הפחמן.
אתה יכול לראות זאת על ידי מזיגת סיגי ברזל, חתיכות ברזל קטנות דמויי אבקה, בנוכחות מגנט. הניחו מגנט מתחת לפיסת נייר או גיליון בד בהיר. שופכים את סדלי הברזל וצפו בצורות והבצורות שהם לוקחים. קבע אילו קווי שדה יצטרכו להיות כדי לגרום להגשות לסדר ולהפיץ את עצמם ככה על פי פיזיקת שדות מגנטיים.
ככל שצפיפות קווי השדה המגנטי שנמשכו מצפון לדרום גדולה יותר, כך גודל השדה המגנטי גדול יותר. הקטבים הצפוניים והדרומיים הללו מכתיבים גם אם עצמים מגנטיים מושכים (בין קטבים צפון לדרום) או דוחים (בין קטבים זהים). שדות מגנטיים נמדדים ביחידות של טסלה, ט.
מדע שדות מגנטיים
מכיוון ששדות מגנטיים נוצרים בכל פעם שמטענים בתנועה, נגרמים שדות מגנטיים מזרם חשמלי דרך חוטים. השדה נותן לך דרך לתאר את הכוח והכיוון הפוטנציאלי של כוח מגנטי תלוי בזרם דרך חוט חשמל ובמרחק שהזרם עובר. קווי שדה מגנטיים יוצרים מעגלים קונצנטריים סביב חוטים. ניתן לקבוע את כיוון השדות הללו באמצעות "הכלל הימני".
כלל זה אומר לך שאם אתה מציב את האגודל הימני שלך בכיוון של זרם חשמלי דרך חוט, השדות המגנטיים המתקבלים הם בכיוון של האצבעות של הידיים שלך. עם זרם גדול יותר, נוצר שדה מגנטי גדול יותר.
איך קובעים שדה מגנטי?
אתה יכול להשתמש בדוגמאות שונות של כלל ימין, כלל כללי לקביעת כיוון כמויות שונות הכוללות שדה מגנטי, כוח מגנטי וזרם. כלל אצבע זה מועיל במקרים רבים בחשמל ובמגנטיות כפי שמוכתב על ידי המתמטיקה של הכמויות.
••• סיד חוסיין אתרניתן ליישם כלל מימין זה גם בכיוון השני עבור מגנט סולנואיד, או סדרה של זרם חשמלי עטוף בחוטים סביב מגנט. אם אתה מכוון את אגודל ידך הימנית לכיוון השדה המגנטי, אצבעות יד ימין יתעטפו בכיוון הזרם החשמלי. סולנואידים מאפשרים לך לרתום את כוחו של שדה מגנטי באמצעות זרמים חשמליים.
כאשר מטען חשמלי נע, השדה המגנטי נוצר כאשר האלקטרונים המסתובבים ומתנועעים הופכים לעצמים מגנטיים בעצמם. ניתן ליישר אלמנטים שיש להם אלקטרונים לא מותאמים במצבי האדמה שלהם כמו ברזל, קובלט וניקל, כך שיוצרים מגנטים קבועים. השדה המגנטי המיוצר על ידי האלקטרונים של אלמנטים אלה מאפשרים זרם חשמלי לזרום דרך אלמנטים אלה ביתר קלות. שדות מגנטיים עצמם יכולים גם לבטל זה את זה אם הם שווים בעוצמתם בכיוונים מנוגדים.
זרם הזורם דרך סוללה אני נותן שדה מגנטי ב ברדיוס r לפי המשוואה עבור חוק אמפרס: B = 2πr μ0 אני איפה μ0 הוא הקבוע המגנטי של חדירות ואקום, 1.26 x 10-6 ח / מ ("הנרי למטר" בו הנריס היא יחידת השראות). הגדלת הזרם והתקרבות לחוט שניהם מגדילים את השדה המגנטי שמתקבל.
סוגי מגנטים
כדי שאובייקט יהיה מגנטי, האלקטרונים המרכיבים את האובייקט חייבים להיות מסוגלים לנוע בחופשיות ובין אטומים באובייקט. כדי שחומר יהיה מגנטי, אטומים עם אלקטרונים לא צמודים מאותו סיבוב הם מועמדים אידיאליים שכן אטומים אלו יכולים להתייחד זה עם זה כדי לאפשר לאלקטרונים לזרום בחופשיות. בדיקת חומרים בנוכחות שדות מגנטיים ובחינת התכונות המגנטיות של האטומים היוצרים חומרים אלה יכולים לספר לכם על המגנטיות שלהם.
פרומגנטים יש את המאפיין הזה שהם מגנטיים לצמיתות. פרמגנטיםלעומת זאת, רגיל להציג תכונות מגנטיות אלא אם כן בנוכחות שדה מגנטי לקווי את ספינים של האלקטרונים כך שהם יכולים לנוע בחופשיות. יהלומים יש קומפוזיציות אטומיות כך שהן לא מושפעות משדות מגנטיים בכלל או שהן מושפעות רק מעט מאוד משדות מגנטיים. אין להם אלקטרונים חסרי זיווג או מעטים כדי לאפשר למטענים לזרום.
פרמטרים עובדים בגלל שהם עשויים מחומרים שיש בהם תמיד רגעים מגנטייםהידוע בשם דיפול. רגעים אלה הם היכולת שלהם להתיישר עם שדה מגנטי חיצוני עקב סיבוב של אלקטרונים לא מותאמים במסלולם של האטומים היוצרים חומרים אלה. בנוכחות שדה מגנטי, החומרים מתיישרים ומתנגדים לכוח השדה המגנטי. אלמנטים פרמטריים כוללים מגנזיום, מוליבדן, ליתיום וטנטלום.
בתוך חומר פרומגנטי הדיפול של האטומים קבוע, בדרך כלל כתוצאה מחימום וקירור של חומר פרמגנטי. זה הופך אותם למועמדים אידיאליים לאלקטרומגנטים, מנועים, גנרטורים ושנאים לשימוש במכשירים חשמליים. לעומת זאת, דיאומנטים יכולים לייצר כוח המאפשר לאלקטרונים לזרום בחופשיות בצורה של זרם שיוצר אפוא שדה מגנטי הפוך לכל שדה מגנטי המופעל עליהם. זה מבטל את השדה המגנטי ומונע מהם להפוך למגנטיים.
כוח מגנטי
שדות מגנטיים קובעים כיצד ניתן לחלק כוחות מגנטיים בנוכחות חומר מגנטי. בעוד ששדות חשמליים מתארים את הכוח החשמלי בנוכחות אלקטרון, בשדות מגנטיים אין חלקיק אנלוגי כזה שעליו ניתן לתאר את הכוח המגנטי. מדענים עיוניים כי מונופול מגנטי עשוי להתקיים, אך לא היו עדויות ניסיוניות להראות כי חלקיקים אלו קיימים. אם היו קיימים, חלקיקים אלה היו בעלי "מטען" מגנטי, באותה צורה שיש לחלקיקים טעונים מטענים חשמליים.
תוצאות מגנטיות כתוצאה מהכוח האלקטרומגנטי, הכוח המתאר רכיבים חשמליים ומגנטיים של חלקיקים וחפצים כאחד. זה מראה עד כמה המגנטיות המהותית היא לאותן תופעות של חשמל כמו שדה זרם וחשמל. המטען של אלקטרון הוא הגורם לשדה המגנטי להסיט אותו באמצעות כוח מגנטי כמעט באותה דרך שדה חשמלי וכוח חשמלי עושים.
שדות מגנטיים ושדות חשמליים
בעוד שרק חלקיקים טעונים נעים מפטרים שדות מגנטיים, וכל החלקיקים הטעונים מפטרים שדות חשמליים, שדות מגנטיים ואלקטרומגנטיים הם חלק מאותו כוח יסודי של אלקטרומגנטיות. הכוח האלקטרומגנטי פועל בין כל החלקיקים הטעונים ביקום. הכוח האלקטרומגנטי מקבל צורה של תופעות יומיומיות בחשמל ומגנטיות כמו חשמל סטטי והקשרים הטעונים החשמליים המחזיקים מולקולות יחד.
כוח זה לצד תגובות כימיות מהווה גם את הבסיס לכוח האלקטרומוטיבי המאפשר לזרום דרך מעגלים. כשמסתכלים על שדה מגנטי שזור בשדה חשמלי, המוצר שהתקבל מכונה שדה אלקטרומגנטי.
ה משוואת כוח לורנץ F = qE + qv × B מתאר את הכוח על חלקיק טעון ש נע במהירות v בנוכחות שדה חשמלי ה ושדה מגנטי ב. במשוואה זו איקס בין qv ו ב מייצג את התוצר הנגדי. הקדנציה הראשונה qE היא התרומה של השדה החשמלי לכוח והמונח השני qv x B הוא תרומת השדות המגנטיים.
משוואת לורנץ גם אומרת לך שהכוח המגנטי בין מהירות המטען v והשדה המגנטי ב פועל עזר לגוף שני qvbsinϕ בתשלום ש איפה ϕ ("phi") הוא הזווית שבין v ו ב, שחייב להיות פחות מ- 1_80_ מעלות. אם הזווית בין v ו ב גדול יותר, עליכם להשתמש בזווית בכיוון ההפוך כדי לתקן זאת (מההגדרה של מוצר צולב). אם _ϕ_ זה 0, כמו ב, המהירות והשדה המגנטי מצביעים באותו כיוון, הכוח המגנטי יהיה 0. החלקיק ימשיך לנוע מבלי להסיט על ידי השדה המגנטי.
תוצרת שדה מגנטית
••• סיד חוסיין אתרבתרשים לעיל, התוצר הנגדי בין שני וקטורים א ו ב פועל עזר לגוף שני ג. שימו לב לכיוון ועוצמתו של ג. זה בכיוון הניצב ל א ו ב כאשר ניתנה על ידי הכלל הימני. הכלל הימני פירושו כיוון התוצר הנגדי שהתקבל ג ניתנת לפי כיוון האגודל כאשר האצבע הימנית הימנית שלך בכיוון של ב והאצבע האמצעית הימנית שלך בכיוון של א.
התוצר הנגדי הוא פעולה וקטורית שתוצאתה הווקטור בניצב לשניהם qv ו ב ניתן על ידי הכלל הימני של שלושת הווקטורים ובעוצמת שטח המקבילית שהווקטורים qv ו ב תוחלת. הכלל הימני פירושו שתוכלו לקבוע את כיוון התוצר הנגדי בין qv ו ב על ידי הנחת האצבע הימנית בכיוון של ב, האצבע האמצעית לכיוון qv, והכיוון של האגודל המתקבל יהיה הכיוון התצלום השני של שני הווקטורים הללו.
בתרשים לעיל, הכלל הימני מדגים גם את הקשר בין שדה מגנטי, כוח מגנטי וזרם דרך חוט. זה מראה גם שהתוצר הנגדי בין שלושת הכמויות הללו יכול לייצג את הכלל הימני שכן התוצר הנגדי בין כיוון הכוח לבין השדה שווה לכיוון הזרמים.
שדה מגנטי בחיי היומיום
שדות מגנטיים של 0.2 עד 0.3 טסלה משמשים ב- MRI, הדמיית תהודה מגנטית. MRI היא שיטה שרופאים משתמשים בהן כדי לחקור מבנים פנימיים בגוף חולים כמו המוח, המפרקים והשרירים. בדרך כלל זה נעשה על ידי הצבת המטופל בשדה מגנטי חזק כך שהשדה פועל לאורך ציר הגוף. אם תאר לעצמך שהמטופל היה סולנואיד מגנטי, הזרמים החשמליים היו עוטפים את גופו והשדה המגנטי היה מכוון לכיוון האנכי ביחס לגוף, כפי שמכתיב הכלל הימני.
מדענים ורופאים חוקרים אחר כך את דרכי הפרוטונים חורגים מיישורם הרגיל לחקר המבנים בגוף חולים. באמצעות זה, רופאים יכולים לבצע אבחונים בטוחים ולא פולשניים של מצבים שונים.
האדם אינו מרגיש את השדה המגנטי במהלך התהליך, אך מכיוון שיש כל כך הרבה מים בגוף האדם, גרעיני המימן (שהם פרוטונים) מיישרים קו עם עצמם בגלל השדה המגנטי.סורק ה- MRI משתמש בשדה מגנטי ממנו הפרוטונים סופגים אנרגיה, וכאשר השדה המגנטי נכבה, הפרוטונים חוזרים למקומם הרגיל. לאחר מכן המכשיר עוקב אחר שינוי זה במיקום כדי לקבוע את אופן יישור הפרוטונים וליצור תמונה של פנים הגוף החולה.