Een magnetisch veld is een onzichtbaar fysiek veld dat wordt gegenereerd door het verplaatsen van elektrische ladingen, magnetische materialen of het veranderen van elektrische velden, die een kracht op magnetische materialen kunnen uitoefenen of elektrische ladingen kunnen verplaatsen. Het is een vectorveld met grootte en richting en wordt vaak gemeten in termen van magnetische inductie. Het magnetische veld rond een magneet trekt ijzersteden aan, terwijl het magnetische veld rond een stroomafhankelijke draad een kompasnaald kan afbuigen. Het magnetische veld is gerelateerd aan het elektrische veld en een veranderend elektrisch veld kan een magnetisch veld genereren (Maxwell's vergelijkingen) en vice versa, een van de kernfunderingen van elektromagnetische fenomenen.
Oorsprong van het magnetische veld
Het magnetische veld is een fysiek fenomeen veroorzaakt door de beweging van elektrische ladingen of een elektrisch veld dat in de loop van de tijd verandert. De oorsprong van het magnetische veld is altijd een belangrijk onderwerp van onderzoek voor wetenschappers geweest. Het is gerelateerd aan ons begrip van de fysieke wereld en kan worden begrepen op zowel het microscopische als de macroscopische niveaus.
Microniveau
Magnetische velden zijn afkomstig van de beweging van geladen deeltjes en kwantummechanische eigenschappen op microscopisch niveau. Kwantumelektrodynamica laat zien dat de spin van geladen deeltjes microscopische magnetische momenten genereert. Wanneer deze magnetische momenten in een materiaal worden besteld, vertoont het materiaal macroscopisch magnetisme. Bovendien genereert de directionele beweging van vrije elektronen in een geleider een omringend magnetisch veld volgens de biot-savartwet. Op een dieper niveau maakt het magnetische veld deel uit van het elektromagnetische veld en vormt samen met het elektrische veld een tensorbeschrijving van het elektromagnetische veld.
Macroniveau
Een magnetisch veld is een vectorveld met richting en grootte en de verdeling ervan kan worden beschreven door magnetische fluxlijnen. Het magnetische veld van de aarde is een typisch macroscopisch magnetisch veld, afkomstig van de convectie van vloeibare ijzernickellegering in de kern van de aarde. In de astrofysica worden complexe magnetische velden gevormd door de scheiding en rotatie van plasmavoorraden. In engineering kunnen specifieke magnetische velden worden geconstrueerd door solenoïde spoelen of permanente magneten te regelen. Deze macroscopische magnetische velden volgen allemaal de klassieke elektromagnetische wetten van de vergelijkingen van Maxwell.
Wat is een magnetisch veld?
Er is een onzichtbare maar echte kracht verborgen in de wereld om ons heen -het kan een kompas houden dat naar het noorden wijst, een elektromotor snel laten draaien en zelfs het leven op aarde beschermen tegen kosmische straling. Deze magische kracht komt uit het magnetische veld.
Definitie van magnetisch veld
Een magnetisch veld is een speciaal fysiek veld dat bestaat rond een magneet of wordt gegenereerd wanneer een elektrische stroom door een geleider gaat. Het kan een kracht uitoefenen op andere magneten of het verplaatsen van elektrische ladingen.
Basiseigenschappen van magnetische velden
1. Sterk effect op magneten en elektrische stromen
Het meest opvallende kenmerk van een magnetisch veld is dat het een kracht kan uitoefenen. Twee magneten zullen elkaar aantrekken of afstoten wanneer ze dicht bij elkaar zijn, een stroomdragende draad zal worden opgevoerd door de ampere kracht in een magnetisch veld, en elektrische motoren en generatoren werken volgens dit principe.
2. Directiviteit vanMagnetischFop de grond
Magnetische velden zijn directioneel en worden meestal beschreven door magnetische fluxlijnen. De raakrichting van de magnetische fluxlijnen geeft op dat moment de richting van het magnetische veld aan, terwijl de dichtheid van de magnetische fluxlijnen de sterkte van het magnetische veld weerspiegelt. De magnetische fluxlijnen van een staafmagneet starten vanaf de N -paal en keren terug naar de S -paal.
3. Superpositie vanMagnetischFIelds
Als er meerdere magnetische veldbronnen in de ruimte zijn, zullen de magnetische velden die ze genereren, op elkaar worden geplaatst om een gecombineerd magnetisch veld te vormen. Met deze eigenschap kunnen we de magnetische veldverdeling van complexe elektromagnetische systemen berekenen.
Hoe worden magnetische velden gegenereerd?
Het genereren van het magnetische veld is een belangrijk fenomeen in de natuurkunde, dat nauw verwant is aan de beweging van elektrische ladingen. De oorsprong van het magnetische veld kan worden teruggevoerd op de beweging van elektrische ladingen. Of het nu gaat om de beweging van microscopische deeltjes of de stroom van macroscopische stroom, het kan een magnetisch veld stimuleren.
Elektrische stroom genereert een magnetisch veld
Magnetisch veld van een lineaire stroom: Een magnetisch veld wordt gegenereerd rond een stroomvoerende geleider. De richting volgt de rechterschroefregel. De magnetische krachtlijnen zijn concentrische cirkels. Hoe dichter bij de geleider, hoe sterker het magnetische veld. De intensiteitsformule is b =2 πrμ 0 i.
Een magnetischveld van cirkelvormige stroom: Vergelijkbaar met eenbarmagneet, Het magnetische veld van de centrale as ligt langs de asrichting en de intensiteit kan worden opgelost door de biot-savartwet te integreren, die vaak wordt gebruikt voor de focus van elektronenstraal.
Magnetisch veld van solenoïde stroom: Wanneer de solenoïde wordt bekrachtigd, is het interne magnetische veld sterk en uniform en is de richting langs de as. De krachtformule is b {{{0}} μ0ni. Het wordt veel gebruikt in elektromagneten en andere apparatuur om ferromagnetische materialen aan te trekken om mechanische apparaten te regelen.
Magnetische materialen genereren magnetische velden
NatuurlijkmagnetischmAterials:De aarde is een enorme magneet en het magnetische veld wordt voornamelijk gegenereerd door de vloeibare buitenste kernstroom, die een belangrijke rol speelt bij biologische migratie en bescherming tegen kosmische stralen. Magnetiet is een natuurlijk magnetisch materiaal met een spontaan magnetisatiefenomeen, dat in de oudheid werd gebruikt voor kompasnavigatie.
KunstmatigmagnetischmAterials: Permanente magneten zoalsNeodymium ijzeren boormagneten, die worden gemaakt door sinteren op hoge temperatuur en andere processen om de magnetische momenten uit te lijnen en een stabiel magnetisch veld te genereren.
Veranderende elektrische velden genereren magnetische velden
Maxwell-Faraday'slAw:De verandering van magnetische flux in een gesloten circuit genereert een geïnduceerde elektromotorische kracht en stroom. De transformator gebruikt de wisselstroom van de primaire spoel om een veranderend magnetisch veld te genereren, en de secundaire spoel induceert elektromotorische kracht en stroom om spanningsconversie te bereiken.
Verspreiding vanelectromagnetischwAves: Elektromagnetische golven zich voortplanten in de ruimte door de interactie van tijdafhankelijke elektrische en magnetische velden, en zich voortplanten in een vacuüm met de snelheid van het licht. Radiogolven worden gegenereerd door de snel veranderende stroom in de afzendende antenne, die veranderende elektrische en magnetische velden vormen, die interageren en zich voortplanten naar verre plaatsen.
Hoe meten we magnetische velden?
Er zijn veel manieren om magnetische velden te meten. De volgende zijn veel voorkomende technieken voor magnetische veldmeting.
Met behulp van een magnetometer
Een magnetometer is een instrument dat specifiek wordt gebruikt om de magnetische veldsterkte te meten. Het detecteert het effect van het magnetische veld op de ladingsdragers in een stroomafhankelijke geleider of halfgeleider, genereert een halspanning die evenredig is aan de magnetische veldsterkte en berekent dus de magnetische veldsterkte. Het instrument is eenvoudig te bedienen en heeft een hoge meetnauwkeurigheid.
Met behulp van een fluxmeter
De fluxmeter is gebaseerd op de wet van Faraday van elektromagnetische inductie. Het meet indirect de magnetische flux door de geïnduceerde elektromotorische kracht van de spoel te detecteren en bepaalt vervolgens de magnetische veldverdeling. Het wordt vaak gebruikt om de uniformiteit van het magnetische veld te meten, de magnetische veldverdeling te detecteren en de kenmerken van magnetische materialen te bestuderen.
ElektronBEAMDverdichtingMethod (SUiteer voorSpecifiekEnevelimoniesSuch alsLAboratories)
Elektronenstraalafbuiging is een zeer nauwkeurige magnetische veldmeetmethode in het laboratorium. Het principe is om de Lorentz -kracht van het magnetische veld op de elektronen te gebruiken om de elektronenstraal af te buigen. De magnetische veldsterkte wordt berekend door het meten van de afbuighoek en bekende parameters zoals de elektronensnelheid.
WatZijnDe factoren die het magnetische veld beïnvloeden?
De factoren die het magnetische veld beïnvloeden, zijn voornamelijk het volgende:
Huidige factor
De grootte van de stroom is evenredig met de sterkte van het magnetische veld. Wanneer de stroom in de solenoïde toeneemt, nemen het magnetische veld en de adsorptiecapaciteit toe. Wanneer de huidige richting verandert, verandert de richting van het magnetische veld ook, wat de richting van de magnetische polen van de elektromagneet kan veranderen. Het huidige pad beïnvloedt de verdeling van het magnetische veld. Rechte stroom produceert concentrische magnetische velden en circulaire stroom produceert een magnetisch veld langs de as op de as. De sterkte is gerelateerd aan de huidige en straal.
Magnetische materialen
Het type, de vorm en de mate van magnetisatie van magnetische materialen zullen hun magnetische veldkenmerken beïnvloeden. Zachte magnetische materialen zijn gemakkelijk te magnetiseren en demagnetiseren en worden vaak gebruikt in transformatoren; Harde magnetische materialen hebben een hoge coërciviteit en zijn moeilijk te demagnetiseren en worden meestal gebruikt in permanente magneten. De vorm van het materiaal zal ook de verdeling van het magnetische veld beïnvloeden. Het magnetische veld van een staafmagneet is geconcentreerd aan beide uiteinden, terwijl het magnetische veld van een ringmagneet binnen en buiten wordt verdeeld. Hoe hoger de mate van magnetisatie, hoe groter het magnetische veldsterkte. De magnetische veldsterkte kan worden aangepast door het aantal beurten en stroom van de elektromagneetspoel te wijzigen om aan verschillende behoeften te voldoen.
Externe factoren
De temperatuurstijging zal het magnetische materiaal verzwakken en permanente magneten zullen het magnetisme verliezen bij hoge temperaturen. Externe magnetische velden zullen het oorspronkelijke magnetische veld interfereren, het in dezelfde richting verhogen en het in de tegenovergestelde richting verminderen. Elektromagnetische afschermingstechnologie maakt gebruik van dit principe. Mechanische stress kan ook de magnetische veldkarakteristieken van magnetische materialen veranderen.
Hoe zien we krachten in magnetische velden?
Het magnetische veld is een onzichtbaar fysiek fenomeen dat bestaat rond magneten en geleiders die elektriciteit dragen. Hoewel we het magnetische veld niet rechtstreeks met onze blote ogen kunnen zien, kunnen we door enkele slimme experimentele methoden de krachten in het magnetische veld indirect "zien" en de wetten ervan verkennen.
Met behulp van een magneet- en ijzeraanvragen (visualisatie van magnetische veldlijnen)
Magnetische veldlijnen zijn een hulpmiddel voor het beschrijven van de verdeling van magnetische velden en kunnen intuïtief de richting en sterkte van het magnetische veld tonen. Wanneer ijzersteden verspreid zijn rond een staafmagneet, worden ze opgesteld langs de magnetische veldlijnen, wijzend van de N -paal naar de S -paal aan de buitenkant en van de S -paal terug naar de N -paal aan de binnenkant, waardoor een gesloten lus wordt gevormd. De ijzeren archieven zijn dicht in de buurt van de magnetische polen, en het magnetische veld is sterk, terwijl de ijzeren archieven schaars zijn in het middelste gebied en het magnetische veld zwak is. Dit fenomeen demonstreert levendig de verdelingswet van het magnetische veld.
Observeer de interactie tussen magneten
De kracht tussen magneten manifesteert zich als polen die elkaar afstoten en in tegenstelling tot polen die elkaar aantrekken, en de grootte van de kracht neemt toe naarmate de afstand afneemt. Door de veerdynamometer kan worden opgemerkt dat de lezing toeneemt wanneer palen dicht bij elkaar zijn en de lezing afneemt wanneer in tegenstelling tot polen dicht bij elkaar ligt. De magnetische veldkracht is een vector en de richting is langs de lijn die de polen verbindt. De grootte hangt af van de sterkte van het magnetisme en de afstand.
Met behulp van de beweging van elektrische stroom in een magnetisch veld
Wanneer een elektrische stroom zich in een magnetisch veld bevindt, wordt deze opgewerkt door de ampere kracht, die loodrecht staat op de richting van de stroom en het magnetische veld en kan worden bepaald door de rechterregel. De grootte van de ampere kracht is evenredig met de stroom, de sterkte van het magnetische veld en de lengte van de draad. Met behulp van dit principe kunnen apparaten zoals motoren worden vervaardigd om elektrische energie om te zetten in mechanische energie.
Praktische toepassingen van magnetische velden
In de elektrische energiebehandeling:Generatoren en transformatoren gebruiken het principe van elektromagnetische inductie om de wederzijdse conversie van elektrische energie en mechanische energie te bereiken.
MedischfIeld:Magnetic Resonance Imaging (MRI) maakt gebruik van sterke magnetische velden om high-definition beelden van het interieur van het menselijk lichaam te verkrijgen, waardoor het een belangrijk hulpmiddel is voor ziektediagnose.
Interms vantRansport:Maglev-treinen vertrouwen op de weerzinwekkende kracht die door het magnetische veld wordt gegenereerd om contactloze hogesnelheidswerkzaamheden te bereiken, waardoor wrijvingsverliezen aanzienlijk worden verminderd.
Samenvatten
Als een van de fundamentele natuurkrachten speelt het magnetische veld een belangrijke rol van microscopische deeltjes tot de kosmische schaal. Het begrijpen van magnetische velden helpt ons niet alleen om de principes van moderne wetenschap en technologie te beheersen, maar helpt ons ook om de fysieke wereld waarin we leven beter te begrijpen. Met de ontwikkeling van materiaalwetenschap en kwantumtechnologie zullen de toepassingsperspectieven van magnetische velden in energie, geneeskunde, informatietechnologie en andere gebieden breder zijn.