Magnetno polje: definicija, lastnosti, enote (tesla, gauss)

Magnetno polje je območje okoli magneta, v katerem deluje magnetna sila. Gibajoči se električni naboji lahko ustvarijo magnetno polje, prav tako so magnetna polja prisotna okoli trajnih magnetov in magnetnih dipolov. Magnetna polja pogosto prikazujemo s črtami magnetnega toka, katerih smer pove smer polja. Gostota teh črt nakazuje jakost polja: čim bližje so črte med seboj, tem močnejše je polje; bolj razmaknjene črte pomeni šibkejše polje. Tokovne črte lahko vizualiziramo z železnimi opilki, ki se v polju obrnejo in razporedijo v sled črt. Magnetna polja vplivajo na delcem, ki se gibljejo ali imajo magnetne lastnosti, in jim lahko dajo silo ali navor.

Definicija v fiziki in nastanek

V fiziki je magnetno polje polje, ki se razteza skozi prostor in povzroča, da magnetna sila deluje na električne naboje in magnetne dipole. Magnetna polja nastanejo okoli električnih tokov, magnetnih dipolov in okoli spreminjajočih se električnih polj (po načelih elektromagnetizma). V makroskopskem pogledu ločimo magnetno indukcijo B (tisto, kar običajno prikazujemo s črtami) in magnetno poljsko jakost H, kar je pomembno pri obravnavi magnetnih materialov.

Lastnosti magnetnih polj

Smer polja: kažejo črte magnetnega toka; fizikalno smer lokalnega magnetnega polja določa smer, v katero kaže severna pol magnetne igle.
Superpozicija: polja od več virov se seštejejo vektorijsko.
Gospodarjenje z naboji: stacionarni električni naboji magnetna polja ne izkusijo sile, medtem ko se gibajoči naboji obnašajo po Lorentzovi sili F = q (v × B), kjer je q naboj, v hitrost in B magnetna indukcija.
Vir polja: glavni viri so električni tokovi in magnetni dipoli (npr. atomi s spini ali trajni magneti).
Energija in gibalna količina: magnetna polja imajo lastno energijo in nosijo gibalno količino; gostota magnetne energije v vakuumu je u = B^2/(2μ0), pri čemer je μ0 permeabilnost prostega prostora. Elektromagnetna polja prenašajo energijo in zagon, kar opisuje Poyntingova vektorska teorija v elektromagnetizmu.

Temeljne enačbe in zakonitosti

Nekaj osnovnih zakonov, ki opisujejo magnetna polja:

Biot–Savartov zakon (kakovostno): električni tok ustvari magnetno polje okoli sebe; jakost je odvisna od toka in razdalje.
Ampèrov zakon (z Maxwellovim dodatkom): povezuje magnetno polje okoli konture s tokom, ki jo obkroža, in s spreminjajočim se električnim tokom.
Maxwellove enačbe: celovito povezujejo električna in magnetna polja ter pojasnijo, kako spreminjajoča se električna polja ustvarijo magnetna polja in obratno.

Magnetni materiali

Materiali se na magnetno polje odzivajo različno:

Diamagnetiki (diamagnetizem): šibko odbijajo magnetna polja.
Paramagnetiki: šibko privlačijo magnetna polja zaradi neusklajenih atomskih momentov.
Ferromagnetiki: močno privlačijo in lahko ohranijo magnetizacijo (npr. železo, niklja, kobalt).

Za podrobnejše pojme o magnetnih materialih glejte tudi sklic v besedilu na magnetizem in magnet.

Enote: tesla in gauss

Magnetno polje merimo z enoto tesla (enote SI). V sistemu CGS se za magnetno indukcijo pogosto uporablja gauss. Pretvorba med enotama je:

1 tesla (T) = 10 000 gauss (G) = 10^4 G.

Primeri tipičnih jakosti polj: magnet Zemlje znaša približno 25–65 μT (0,25–0,65 G), močni neodimijevi magneti dosegajo okoli 1–1,4 T, medicinski MRI aparati običajno delujejo pri 1,5–3 T ali več.

Merjenje in uporaba

Magnetna polja merimo z različnimi napravami, na primer z magnetometri, Hallovimi senzorji ali z uporabo induktivnosti tuljav. Magnetna polja imajo široko praktično uporabo: v elektromotorjih, generatorjih, transformatorjih, medicinski diagnostiki (MRI), shranjevanju podatkov (trdni diski) in pri znanstvenem raziskovanju.

Zgodovina in temeljne odkritja

Zakonitosti elektromagnetizma je skozi eksperimentalno delo in teoretične prispevke utemeljil Michael Faraday, pozneje pa je James Clerk Maxwell sistematiziral elektromagnetne pojave v Maxwellovih enačbah.

Za poglobljeno razumevanje magnetnih pojavov so koristne teme, kot so diamagnetizem, magnetizem, in procesi, ki opisujejo nastanek magnetnih polj pri spreminjajočih se električnih poljih (elektromagnetizem).

H-polje

Fiziki lahko rečejo, da sta sila in navor med dvema magnetoma posledica medsebojnega odbijanja ali privlačenja magnetnih polov. To je podobno Coulombovi sili, ki odbija enake električne naboje ali privlači nasprotne električne naboje. V tem modelu magnetno polje H ustvarjajo magnetni naboji, ki so "razmazani" okoli vsakega pola. Tako je polje H podobno električnemu polju E, ki se začne pri pozitivnem električnem naboju in konča pri negativnem električnem naboju. V bližini severnega pola so vse črte polja H usmerjene stran od severnega pola (ne glede na to, ali so v magnetu ali zunaj njega), medtem ko so v bližini južnega pola (ne glede na to, ali so v magnetu ali zunaj njega) vse črte polja H usmerjene proti južnemu polu. Severni pol torej čuti silo v smeri H-polja, medtem ko je sila na južnem polu nasprotna H-polju.

V modelu magnetnih polov tvorita osnovni magnetni dipol m dva nasprotna magnetna pola z magnetno močjo qm, ki sta med seboj ločena z zelo majhno razdaljo d, tako da je m = qm d.

Žal magnetna pola ne moreta obstajati ločeno drug od drugega. Vsi magneti imajo pare sever/jug, ki jih ni mogoče ločiti, ne da bi ustvarili dva magneta, od katerih ima vsak par sever/jug. Prav tako magnetni poli ne upoštevajo magnetizma, ki ga ustvarjajo električni tokovi, niti sile, s katero magnetno polje deluje na premikajoče se električne naboje.

Model magnetnega pola : dva nasprotna pola, severni (+) in južni (-), ločena z razdaljo d, ustvarjata polje H (črte).

H-polje in magnetni materiali

$Polje H$ je opredeljeno kot:

H ≡ B μ 0 - M , {\displaystyle \mathbf {H} \ \equiv \ {\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}-\mathbf {M} ,} $\mathbf {H} \ \equiv \ {\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}-\mathbf {M} ,$ (definicija $H$ v enotah SI)

S to definicijo Amperov zakon postane:

∮ H ⋅ d ℓ = ∮ ( B μ 0 - M ) ⋅ d ℓ = I t o t - I b = I f {\displaystyle \oint \mathbf {H} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}=\toint \left({\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}-\mathbf {M} \right)\cdot d{\boldsymbol {\ell }}=I_{\mathrm {tot} }-I_{\mathrm {b} }=I_{\mathrm {f} }} $\oint \mathbf {H} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}=\oint \left({\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}-\mathbf {M} \right)\cdot d{\boldsymbol {\ell }}=I_{\mathrm {tot} }-I_{\mathrm {b} }=I_{\mathrm {f} }$

kjer $If$ predstavlja "prosti tok", ki ga omejuje zanka, tako da linijski integral $H$ sploh ni odvisen od vezanih tokov. Za diferencialni ekvivalent te enačbe glej Maxwellove enačbe. Amperov zakon vodi do mejnega pogoja:

H 1 , ∥ - H 2 , ∥ = K f , {\displaystyle H_{1,\parallel }-H_{2,\parallel }=\mathbf {K} _{\text{f}},} $H_{1,\parallel }-H_{2,\parallel }=\mathbf {K} _{\text{f}},$

kjer je $Kf$ površinska gostota prostega toka.

Podobno je površinski integral $H$ na poljubni zaprti površini neodvisen od prostih tokov in izbere "magnetne naboje" znotraj te zaprte površine:

∮ S μ 0 H ⋅ d A = ∮ S ( B - μ 0 M ) ⋅ d A = ( 0 - ( - q M ) ) = q M , {\displaystyle \oint _{S}\mu _{0}\mathbf {H} \cdot \mathrm {d} \mathbf {A} =\oint _{S}(\mathbf {B} -\mu _{0}\mathbf {M} )\cdot \mathrm {d} \mathbf {A} =(0-(-q_{M}))=q_{M},} $\oint _{S}\mu _{0}\mathbf {H} \cdot \mathrm {d} \mathbf {A} =\oint _{S}(\mathbf {B} -\mu _{0}\mathbf {M} )\cdot \mathrm {d} \mathbf {A} =(0-(-q_{M}))=q_{M},$

ki ni odvisna od prostih tokov.

$Polje H$ lahko torej razdelimo na dva neodvisna dela:

H = H 0 + H d , {\displaystyle \mathbf {H} =\mathbf {H} _{0}+\mathbf {H} _{d},\,} $\mathbf {H} =\mathbf {H} _{0}+\mathbf {H} _{d},\,$

pri čemer je $H0$ magnetno polje, ki ga povzročajo le prosti tokovi, $Hd$ pa je razmagneteno polje, ki ga povzročajo le vezani tokovi.

Magnetno $polje H$ torej preoblikuje vezani tok v obliki "magnetnih nabojev". Črte polja $H$ se vrtijo le okoli "prostega toka" in se za razliko od magnetnega polja $B$ začnejo in končajo tudi v bližini magnetnih polov.

Sorodne strani

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je magnetno polje?

O: Magnetno polje je območje okoli magneta, v katerem deluje magnetna sila, ki jo ustvarjajo premikajoči se električni naboji.

V: Kako lahko določimo moč magneta?

O: Moč magneta lahko določimo tako, da pogledamo prostore med črtami magnetnega toka - bližje ko so skupaj, močnejši je magnet.

V: Kaj se zgodi, ko se delci dotaknejo magnetnega polja?

O: Ko se delci dotaknejo magnetnega polja, dobijo od njega energijo.

V: Kaj pomeni, da ima nekaj svojo lastno energijo in zagon?

O: Imeti lastno energijo in zagon pomeni, da ima nekaj lastne lastnosti, ki omogočajo, da se giblje ali deluje neodvisno od drugih predmetov ali sil.

V: Kako izmerimo moč magnetnega polja?

O: Moč magnetnega polja se meri v enotah tesla (enote SI) ali gauss (enote Cgs).

V: Kdo je utemeljil zakon o elektromagnetizmu?

O: Michael Faraday je utemeljil zakon o elektromagnetizmu.

V: Kaj se zgodi, če železne opilke postavimo v bližino magneta?

O: Ko železne opilke postavimo v bližino magneta, se premaknejo in se uredijo v tokovne črte, ki kažejo smer in jakost magnetnega polja.