Un camp magnètic és un camp físic invisible generat amb moure càrregues elèctriques, materials magnètics o canviar camps elèctrics, que pot exercir una força sobre materials magnètics o moure càrregues elèctriques. És un camp vectorial amb magnitud i direcció, i sovint es mesura en termes d’inducció magnètica. El camp magnètic al voltant d’un imant atrau arxius de ferro, mentre que el camp magnètic al voltant d’un filferro de corrent pot desviar una agulla de la brúixola. El camp magnètic està relacionat amb el camp elèctric i un camp elèctric canviant pot generar un camp magnètic (equacions de Maxwell) i viceversa, que és un dels fonaments bàsics dels fenòmens electromagnètics.
Origen del camp magnètic
El camp magnètic és un fenomen físic causat pel moviment de les càrregues elèctriques o un camp elèctric que canvia amb el pas del temps. L’origen del camp magnètic sempre ha estat un tema important de la investigació per als científics. Està relacionat amb la nostra comprensió del món físic i es pot entendre tant a nivell microscòpic com macroscòpic.
Nivell micro
Els camps magnètics provenen del moviment de partícules carregades i de propietats mecàniques quàntiques a nivell microscòpic. L’electrodinàmica quàntica demostra que el gir de les partícules carregades genera moments magnètics microscòpics. Quan aquests moments magnètics s’ordenen en un material, el material presenta magnetisme macroscòpic. A més, el moviment direccional dels electrons lliures en un conductor genera un camp magnètic envoltant segons la llei Biot-Savart. A un nivell més profund, el camp magnètic forma part del camp electromagnètic i, juntament amb el camp elèctric, forma una descripció tensor del camp electromagnètic.
Nivell macro
Un camp magnètic és un camp vectorial amb direcció i magnitud, i la seva distribució es pot descriure mitjançant línies de flux magnètic. El camp magnètic de la Terra és un camp magnètic macroscòpic típic, originari de la convecció d’aliatge de ferro líquid al nucli terrestre. En astrofísica, els camps magnètics complexos estan formats per la separació i la rotació de les càrregues de plasma. En enginyeria, es poden construir camps magnètics específics mitjançant la organització de bobines de solenoides o imants permanents. Aquests camps magnètics macroscòpics segueixen totes les lleis electromagnètiques clàssiques de les equacions de Maxwell.
Què és un camp magnètic?
Hi ha una força invisible però real amagada al món que ens envolta: pot mantenir una brúixola apuntant cap al nord, fer que un motor elèctric giri ràpidament i fins i tot protegir la vida a la terra de la radiació còsmica. Aquesta potència màgica prové del camp magnètic.
Definició de camp magnètic
Un camp magnètic és un camp físic especial que existeix al voltant d’un imant o es genera quan un corrent elèctric passa per un conductor. Pot exercir una força sobre altres imants o moure càrregues elèctriques.
Propietats bàsiques dels camps magnètics
1. Efecte fort sobre els imants i els corrents elèctrics
La característica més notable d’un camp magnètic és que pot exercir una força. Dos imants s’atrauen o es repel·liran els uns als altres quan estiguin junts, un filferro que porta el corrent serà actuat per la força de l’amperi en un camp magnètic, i els motors elèctrics i els generadors treballen amb aquest principi.
2. Directivitat deMagnèticFcampo
Els camps magnètics són direccionals i normalment es descriuen per línies de flux magnètic. La direcció tangent de les línies de flux magnètic indica la direcció del camp magnètic en aquest punt, mentre que la densitat de les línies de flux magnètic reflecteix la força del camp magnètic. Les línies de flux magnètiques d’un imant de barres comencen des del pol i tornen al pol.
3. Superposició deMagnèticFcampos
Si hi ha múltiples fonts de camp magnètic a l’espai, els camps magnètics que generen es superposaran els uns als altres per formar un camp magnètic combinat. Aquesta propietat ens permet calcular la distribució de camp magnètic de sistemes electromagnètics complexos.
Com es generen els camps magnètics?
La generació del camp magnètic és un fenomen important en la física, que està estretament relacionat amb el moviment de les càrregues elèctriques. L’origen del camp magnètic es pot remuntar al moviment de les càrregues elèctriques. Tant si es tracta del moviment de partícules microscòpiques com del flux de corrent macroscòpic, pot estimular un camp magnètic.
El corrent elèctric genera camp magnètic
Magnètic camp d’un corrent lineal: Es genera un camp magnètic al voltant d’un conductor que porta el corrent. La seva direcció segueix la regla del cargol de la mà dreta. Les línies de força magnètiques són cercles concèntrics. Com més a prop del conductor, més fort és el camp magnètic. La fórmula d’intensitat és B =2 πrμ 0 i.
Un magnèticCamp de corrent circular: Similar a unimant de la barra, El camp magnètic de l’eix central es troba al llarg de la direcció de l’eix i la intensitat es pot resoldre integrant la llei de Biot-Savart, que sovint s’utilitza per a l’enfocament del feix d’electrons.
Camp magnètic de corrent de solenoide: Quan el solenoide està energitzat, el camp magnètic intern és fort i uniforme, i la direcció és al llarg de l’eix. La fórmula de força és B {{0}} μ0ni. S'utilitza àmpliament en electromagnets i altres equips per atraure materials ferromagnètics per controlar els dispositius mecànics.
Els materials magnètics generen camps magnètics
NaturalmagnèticmAterials:La Terra és un imant enorme i el seu camp magnètic és generat principalment pel corrent del nucli exterior líquid, que té un paper important en la migració biològica i la protecció contra els raigs còsmics. La magnetita és un material magnètic natural amb un fenomen de magnetització espontània, que es va utilitzar per a la navegació de la brúixola en l'antiguitat.
ArtificialmagnèticmAterials: Imants permanents com araimants de bor de ferro de neodimi, que es fan mitjançant sinterització a alta temperatura i altres processos per alinear els moments magnètics i generar un camp magnètic estable.
Canviar els camps elèctrics generen camps magnètics
Maxwell-Faraday'slaw:El canvi de flux magnètic en un circuit tancat genera una força electromotriu induïda i un corrent. El transformador utilitza el corrent altern de la bobina primària per generar un camp magnètic canviant i la bobina secundària indueix la força electromotriu i el corrent per aconseguir la conversió de tensió.
Propagació deelectromagnèticawAves: Les ones electromagnètiques es propaguen a l’espai mitjançant la interacció de camps elèctrics i magnètics que varien el temps i es propaguen al buit a la velocitat de la llum. Les ones de ràdio es generen pel corrent que canvia ràpidament a l’antena transmissora, formant camps elèctrics i magnètics canviants, que interaccionen i es propaguen a llocs llunyans.
Com mesurem els camps magnètics?
Hi ha moltes maneres de mesurar els camps magnètics. A continuació, es mostren tècniques comunes de mesura de camp magnètic.
Utilitzant un magnetòmetre
Un magnetòmetre és un instrument utilitzat específicament per mesurar la força de camp magnètic. Detecta l'efecte del camp magnètic sobre els portadors de càrrega en un conductor o un semiconductor de corrent, genera una tensió de sala proporcional a la força de camp magnètic i, per tant, calcula la força del camp magnètic. L’instrument és senzill d’operar i té una alta precisió de mesurament.
Utilitzant un mesurador de flux
El fluxmeter es basa en la llei de la inducció electromagnètica de Faraday. Mesura indirectament el flux magnètic detectant la força electromotriu induïda de la bobina i, a continuació, determina la distribució de camp magnètic. Sovint s’utilitza per mesurar la uniformitat del camp magnètic, detectar la distribució de camp magnètic i estudiar les característiques dels materials magnètics.
ElectronsBehDeficaçMEthod (SUpitable per aSpecificEnvironentsSuch comLAboratoris)
La desviació del feix d’electrons és un mètode de mesura de camp magnètic d’alta precisió al laboratori. El seu principi és utilitzar la força de Lorentz del camp magnètic als electrons per desviar el feix d’electrons. La força del camp magnètic es calcula mitjançant la mesura de l’angle de desviació i els paràmetres coneguts com la velocitat dels electrons.
El queSónEls factors que afecten el camp magnètic?
Els factors que afecten el camp magnètic inclouen principalment els següents:
Factor actual
La magnitud del corrent és proporcional a la força del camp magnètic. Quan el corrent del solenoide augmenta, el camp magnètic i la capacitat d’adsorció augmenten. Quan la direcció actual canvia, la direcció del camp magnètic també canvia, cosa que pot canviar la direcció dels pols magnètics de l’electromagnet. El camí actual afecta la distribució del camp magnètic. El corrent recte produeix camps magnètics concèntrics i el corrent circular produeix un camp magnètic al llarg de l’eix de l’eix. La seva força està relacionada amb el corrent i el radi.
Materials magnètics
El tipus, la forma i el grau de magnetització de materials magnètics afectaran les seves característiques de camp magnètic. Els materials magnètics suaus són fàcils de magnetitzar i desmagnetitzar i sovint s’utilitzen en transformadors; Els materials magnètics durs tenen una elevada coercitat i són difícils de desmagnetitzar i s’utilitzen majoritàriament en imants permanents. La forma del material també afectarà la distribució del camp magnètic. El camp magnètic d’un imant de barra es concentra als dos extrems, mentre que el camp magnètic d’un imant d’anell es distribueix dins i fora. Com més gran sigui el grau de magnetització, més gran és la força del camp magnètic. La força del camp magnètic es pot ajustar canviant el nombre de girs i el corrent de la bobina electromagnet per satisfer les necessitats diferents.
Factors externs
L’augment de la temperatura debilitarà el material magnètic i els imants permanents perdran el magnetisme a temperatures altes. Els camps magnètics externs interferiran amb el camp magnètic original, augmentant -lo en la mateixa direcció i disminuint -lo en sentit contrari. La tecnologia de blindatge electromagnètic utilitza aquest principi. L’estrès mecànic també pot canviar les característiques del camp magnètic dels materials magnètics.
Com veiem les forces en camps magnètics?
El camp magnètic és un fenomen físic invisible que existeix al voltant d’imants i conductors que porten electricitat. Tot i que no podem veure el camp magnètic directament amb els nostres ulls nus, mitjançant alguns mètodes experimentals intel·ligents, podem indirectament "veure" les forces del camp magnètic i explorar les seves lleis.
Utilitzant un imant i arxivatge de ferro (visualització de línies de camp magnètic)
Les línies de camp magnètic són una eina per descriure la distribució dels camps magnètics i poden mostrar intuïtivament la direcció i la força del camp magnètic. Quan els arxius de ferro s’escampin al voltant d’un imant de barra, s’organitzaran al llarg de les línies de camp magnètic, apuntant des del pol N al pol de la part exterior i des del pol de nou fins al pol de l’interior, formant un bucle tancat. Els arxius de ferro són densos a prop dels pols magnètics i el camp magnètic és fort, mentre que els arxius de ferro són escassos a la zona mitjana i el camp magnètic és feble. Aquest fenomen demostra vivament la llei de distribució del camp magnètic.
Observeu la interacció entre imants
La força entre imants es manifesta com els pols que es repel·len i, a diferència dels pols que s’atrauen, i la magnitud de la força augmenta a mesura que la distància disminueix. A través del dinamòmetre de la primavera, es pot observar que la lectura augmenta quan els pals es troben junts i la lectura disminueix quan a diferència dels pals estan junts. La força de camp magnètic és un vector i la seva direcció es troba al llarg de la línia que connecta els pols. La magnitud depèn de la força del magnetisme i de la distància.
Utilitzant el moviment del corrent elèctric en un camp magnètic
Quan un corrent elèctric es troba en un camp magnètic, és actuat per la força de l’amperi, que és perpendicular a la direcció del corrent i del camp magnètic i es pot determinar per la regla de la dreta. La magnitud de la força de l’amperi és proporcional al corrent, la força del camp magnètic i la longitud del filferro. Utilitzant aquest principi, es poden fabricar dispositius com motors per convertir l’energia elèctrica en energia mecànica.
Aplicacions pràctiques dels camps magnètics
A la indústria elèctrica:Els generadors i els transformadors utilitzen el principi de la inducció electromagnètica per aconseguir la conversió mútua de l’energia elèctrica i l’energia mecànica.
Mèdicfield:La imatge de ressonància magnètica (RMN) utilitza camps magnètics forts per obtenir imatges d’alta definició de l’interior del cos humà, cosa que la converteix en una eina important per al diagnòstic de la malaltia.
Dins determs detRansportació:Els trens de Maglev es basen en la força repulsiva generada pel camp magnètic per aconseguir un funcionament d’alta velocitat sense contacte, reduint molt les pèrdues de fricció.
Sumar
Com a una de les forces fonamentals de la natura, el camp magnètic té un paper important des de les partícules microscòpiques fins a l'escala còsmica. Comprendre els camps magnètics no només ens ajuda a dominar els principis de la ciència i la tecnologia modernes, sinó que també ens ajuda a comprendre millor el món físic que vivim. Amb el desenvolupament de la ciència de materials i la tecnologia quàntica, les perspectives d’aplicació dels camps magnètics en energia, medicina, tecnologia de la informació i altres camps seran més àmplies.