میدان مغناطیسی چیست؟

یک میدان مغناطیسی یک میدان فیزیکی نامرئی است که با جابجایی بارهای الکتریکی ، مواد مغناطیسی یا تغییر میدان های الکتریکی ایجاد می شود که می تواند نیرویی را بر روی مواد مغناطیسی یا جابجایی های الکتریکی متحرک کند. این یک میدان بردار با بزرگی و جهت است و اغلب از نظر القای مغناطیسی اندازه گیری می شود. میدان مغناطیسی در اطراف یک آهنربا ، پرونده های آهن را به خود جلب می کند ، در حالی که میدان مغناطیسی در اطراف یک سیم حامل جریان می تواند یک سوزن قطب نما را منحرف کند. میدان مغناطیسی مربوط به میدان الکتریکی است و یک میدان الکتریکی در حال تغییر می تواند یک میدان مغناطیسی (معادلات ماکسول) و برعکس ایجاد کند که یکی از پایه های اصلی پدیده های الکترومغناطیسی است.

منشأ میدان مغناطیسی

میدان مغناطیسی یک پدیده فیزیکی است که در اثر حرکت بارهای الکتریکی یا یک میدان الکتریکی ایجاد می شود که با گذشت زمان تغییر می کند. منشأ میدان مغناطیسی همیشه موضوع مهمی از تحقیقات برای دانشمندان بوده است. این مربوط به درک ما از دنیای فیزیکی است و می توان در هر دو سطح میکروسکوپی و ماکروسکوپی درک کرد.

سطح ریز

میدان های مغناطیسی از حرکت ذرات باردار و خواص مکانیکی کوانتومی در سطح میکروسکوپی سرچشمه می گیرند. الکترودینامیک کوانتومی نشان می دهد که چرخش ذرات بارگذاری شده لحظات مغناطیسی میکروسکوپی را تولید می کند. هنگامی که این لحظه های مغناطیسی در یک ماده سفارش داده می شود ، این ماده مغناطیس ماکروسکوپی را نشان می دهد. علاوه بر این ، حرکت جهت گیری الکترون های آزاد در یک هادی مطابق قانون Biot-Savart یک میدان مغناطیسی محاصره کننده ایجاد می کند. در سطح عمیق تر ، میدان مغناطیسی بخشی از میدان الکترومغناطیسی است و همراه با میدان الکتریکی ، توصیف تانسور از میدان الکترومغناطیسی را تشکیل می دهد.

سطح کلان

یک میدان مغناطیسی یک میدان بردار با جهت و بزرگی است و توزیع آن را می توان با خطوط شار مغناطیسی توصیف کرد. میدان مغناطیسی زمین یک میدان مغناطیسی ماکروسکوپی معمولی است که از همرفت آلیاژ آهن مایع در هسته زمین سرچشمه می گیرد. در اخترفیزیک ، میدان های مغناطیسی پیچیده با جداسازی و چرخش بارهای پلاسما تشکیل می شوند. در مهندسی ، می توان زمینه های مغناطیسی خاصی را با تنظیم کویل های سولنوئید یا آهنرباهای دائمی ساخت. این میدان های مغناطیسی ماکروسکوپی همه از قوانین کلاسیک الکترومغناطیسی معادلات ماکسول پیروی می کنند.

میدان مغناطیسی چیست؟

یک نیروی نامرئی اما واقعی وجود دارد که در دنیای اطراف ما پنهان شده است -می تواند قطب نما را به سمت شمال نگه دارد ، یک موتور الکتریکی را سریع بچرخاند و حتی از زندگی روی زمین در برابر تابش کیهانی محافظت کند. این قدرت جادویی از میدان مغناطیسی حاصل می شود.

تعریف میدان مغناطیسی

میدان مغناطیسی یک میدان فیزیکی خاص است که در اطراف یک آهنربا وجود دارد یا هنگامی که جریان الکتریکی از یک هادی عبور می کند ، تولید می شود. این می تواند نیرویی را بر روی سایر آهن ربا یا در حال حرکت برقی در حال حرکت کند.

خصوصیات اساسی میدان های مغناطیسی

1. تأثیر شدید بر آهن ربا و جریانهای برقی

قابل توجه ترین ویژگی یک میدان مغناطیسی این است که می تواند نیرویی را اعمال کند. دو آهنربا هنگام نزدیک شدن به یکدیگر ، یکدیگر را جذب یا دفع می کنند ، یک سیم حامل جریان توسط نیروی آمپر در یک میدان مغناطیسی عمل می شود و موتورهای الکتریکی و ژنراتورها بر اساس این اصل کار می کنند.

2. مستقیم بودن ازMوابسته به اگنتیکFدرز

میدان های مغناطیسی جهت دار هستند و معمولاً توسط خطوط شار مغناطیسی توصیف می شوند. جهت مماس خطوط شار مغناطیسی نشان دهنده جهت میدان مغناطیسی در آن نقطه است ، در حالی که چگالی خطوط شار مغناطیسی نشان دهنده قدرت میدان مغناطیسی است. خطوط شار مغناطیسی یک آهنربای نوار از قطب N شروع می شود و به قطب S باز می گردد.

3. سریالMوابسته به اگنتیکFایلدز

اگر چندین منبع مغناطیسی در فضا وجود داشته باشد ، میدان های مغناطیسی که آنها تولید می کنند بر روی یکدیگر قرار می گیرند تا یک میدان مغناطیسی ترکیبی تشکیل دهند. این خاصیت به ما امکان می دهد توزیع میدان مغناطیسی سیستم های الکترومغناطیسی پیچیده را محاسبه کنیم.

میدان های مغناطیسی چگونه تولید می شوند؟

نسل میدان مغناطیسی یک پدیده مهم در فیزیک است که از نزدیک با حرکت بارهای الکتریکی مرتبط است. منشأ میدان مغناطیسی را می توان به حرکت بارهای الکتریکی ردیابی کرد. چه حرکت ذرات میکروسکوپی باشد یا جریان جریان ماکروسکوپی ، می تواند یک میدان مغناطیسی را تحریک کند.

جریان الکتریکی میدان مغناطیسی ایجاد می کند

مغناطیسی میدان جریان خطی:  یک میدان مغناطیسی در اطراف یک هادی حامل جریان ایجاد می شود. جهت آن از قانون پیچ دست راست پیروی می کند. خطوط مغناطیسی نیروهای متمرکز هستند. هرچه به هادی نزدیکتر باشد ، میدان مغناطیسی قوی تر است. فرمول شدت B =2 πrμ 0 i است.

مغناطیسیمیدان جریان دایره ای:  شبیه بهنوار مغناطیسیمیدان مغناطیسی محور مرکزی در امتداد جهت محور است و با ادغام قانون Biot-Savart ، که اغلب برای تمرکز پرتو الکترونی استفاده می شود ، می توان شدت آن را حل کرد.

میدان مغناطیسی جریان solenoid:  هنگامی که solenoid انرژی می یابد ، میدان مغناطیسی داخلی قوی و یکنواخت است و جهت در امتداد محور است. فرمول قدرت B {{0}} μ0ni است. این ماده به طور گسترده ای در الکترومغناطیسی و سایر تجهیزات برای جذب مواد فرومغناطیسی برای کنترل دستگاه های مکانیکی مورد استفاده قرار می گیرد.

مواد مغناطیسی زمینه های مغناطیسی ایجاد می کنند

طبیعیmوابسته به اگنتیکmAterials:زمین یک آهنربای بزرگ است و میدان مغناطیسی آن عمدتاً توسط جریان هسته بیرونی مایع ایجاد می شود ، که نقش مهمی در مهاجرت بیولوژیکی و محافظت در برابر پرتوهای کیهانی دارد. مگنتیت یک ماده مغناطیسی طبیعی با پدیده مغناطیسی خود به خود است که در دوران باستان برای پیمایش قطب نما استفاده می شد.

مصنوعیmوابسته به اگنتیکmAterials:  آهنرباهای دائمی مانندآهنرباهای بور آهن نئودیمیوم، که توسط پخت و پز درجه حرارت بالا و سایر فرآیندها برای تراز کردن لحظات مغناطیسی و ایجاد یک میدان مغناطیسی پایدار ساخته می شوند.

تغییر میدان های الکتریکی زمینه های مغناطیسی را ایجاد می کند

Maxwell-Faraday'slaw:تغییر شار مغناطیسی در یک مدار بسته باعث ایجاد نیروی الکتروموتوری و جریان ناشی از آن می شود. ترانسفورماتور از جریان متناوب سیم پیچ اولیه برای تولید میدان مغناطیسی در حال تغییر استفاده می کند و سیم پیچ ثانویه باعث ایجاد نیروی الکتروموتور و جریان برای دستیابی به تبدیل ولتاژ می شود.

انتشار ازeوابسته به لکترومغناطیسیwAVES:  امواج الکترومغناطیسی با تعامل میدان های الکتریکی و مغناطیسی متغیر زمان در فضا پخش می شوند و با سرعت نور در خلاء پخش می شوند. امواج رادیویی توسط جریان سریع در حال تغییر در آنتن انتقال دهنده ایجاد می شوند و زمینه های برقی و مغناطیسی را تغییر می دهند که در مکان های دوردست تعامل و پخش می شوند.

چگونه میدان های مغناطیسی را اندازه گیری می کنیم؟

روش های زیادی برای اندازه گیری میدان های مغناطیسی وجود دارد. موارد زیر تکنیک های متداول اندازه گیری میدان مغناطیسی است.

با استفاده از مغناطیس سنج

مغناطیس سنج ابزاری است که به طور خاص برای اندازه گیری استحکام میدان مغناطیسی استفاده می شود. این اثر میدان مغناطیسی را بر روی حامل های بار در یک هادی یا نیمه هادی در حال حاضر تشخیص می دهد ، یک ولتاژ سالن متناسب با قدرت میدان مغناطیسی ایجاد می کند و در نتیجه قدرت میدان مغناطیسی را محاسبه می کند. این ابزار ساده است و از دقت اندازه گیری بالایی برخوردار است.

با استفاده از یک متر شار

این شار براساس قانون القایی الکترومغناطیسی فارادی است. به طور غیرمستقیم با تشخیص نیروی الکتروموتوری ناشی از سیم پیچ ، شار مغناطیسی را اندازه گیری می کند و سپس توزیع میدان مغناطیسی را تعیین می کند. اغلب برای اندازه گیری یکنواختی میدان مغناطیسی ، تشخیص توزیع میدان مغناطیسی و مطالعه ویژگی های مواد مغناطیسی استفاده می شود.

یارBابلهDضایعMethod (Sشما برایSخوشیEمحیطSuch به عنوانLجوجه ها)

انحراف پرتو الکترونی یک روش اندازه گیری میدان مغناطیسی با دقت بالا در آزمایشگاه است. اصل آن استفاده از نیروی لورنتز میدان مغناطیسی روی الکترون ها برای منحرف کردن پرتو الکترونی است. قدرت میدان مغناطیسی با اندازه گیری زاویه انحراف و پارامترهای شناخته شده مانند سرعت الکترون محاسبه می شود.

چههستندعواملی که بر میدان مغناطیسی تأثیر می گذارد؟

عواملی که بر میدان مغناطیسی تأثیر می گذارد ، شامل موارد زیر است:

عامل فعلی

بزرگی جریان متناسب با قدرت میدان مغناطیسی است. با افزایش جریان در سولنوئید ، میدان مغناطیسی و ظرفیت جذب افزایش می یابد. هنگامی که جهت فعلی تغییر می کند ، جهت میدان مغناطیسی نیز تغییر می کند ، که می تواند جهت قطب های مغناطیسی الکترومغناطیسی را تغییر دهد. مسیر فعلی بر توزیع میدان مغناطیسی تأثیر می گذارد. جریان مستقیم زمینه های مغناطیسی متمرکز را تولید می کند و جریان دایره ای یک میدان مغناطیسی را در امتداد محور روی محور تولید می کند. قدرت آن مربوط به جریان و شعاع است.

مواد مغناطیسی

نوع ، شکل و درجه مغناطش مواد مغناطیسی بر خصوصیات میدان مغناطیسی آنها تأثیر می گذارد. مواد مغناطیسی نرم به راحتی می توانند مغناطیس و عوامفری شوند و اغلب در ترانسفورماتورها استفاده می شوند. مواد مغناطیسی سخت از اجبار بالایی برخوردار هستند و عواملی در آن دشوار هستند و بیشتر در آهنرباهای دائمی مورد استفاده قرار می گیرند. شکل مواد نیز بر توزیع میدان مغناطیسی تأثیر می گذارد. میدان مغناطیسی یک آهنربای نوار در هر دو انتها متمرکز شده است ، در حالی که میدان مغناطیسی یک آهنربای حلقه در داخل و خارج توزیع می شود. هرچه میزان مغناطش بالاتر باشد ، قدرت میدان مغناطیسی بیشتر می شود. قدرت میدان مغناطیسی را می توان با تغییر تعداد چرخش ها و جریان سیم پیچ الکترومغناطیس برای رفع نیازهای مختلف تنظیم کرد.

عوامل خارجی

افزایش دما باعث تضعیف مواد مغناطیسی می شود و آهنرباهای دائمی در دمای بالا مغناطیسی را از دست می دهند. میدان های مغناطیسی خارجی با میدان مغناطیسی اصلی تداخل می کنند و آن را در همان جهت افزایش می دهند و آن را در جهت مخالف کاهش می دهند. فناوری محافظ الکترومغناطیسی از این اصل استفاده می کند. استرس مکانیکی همچنین می تواند ویژگی های میدان مغناطیسی مواد مغناطیسی را تغییر دهد.

چگونه نیروهای موجود در میدان های مغناطیسی را می بینیم؟

میدان مغناطیسی یک پدیده فیزیکی نامرئی است که در اطراف آهن ربا و هادی هایی که دارای برق هستند وجود دارد. اگرچه ما نمی توانیم میدان مغناطیسی را مستقیماً با چشمان برهنه خود ببینیم ، از طریق برخی از روشهای آزمایشی هوشمندانه ، می توانیم به طور غیرمستقیم نیروهای موجود در میدان مغناطیسی را "ببینیم".

با استفاده از پرونده های آهنربا و آهن (تجسم خطوط میدان مغناطیسی)

خطوط میدان مغناطیسی ابزاری برای توصیف توزیع میدان های مغناطیسی است و می تواند به طور شهودی جهت و استحکام میدان مغناطیسی را نشان دهد. هنگامی که پرونده های آهن در اطراف یک آهنربای نوار پراکنده می شوند ، آنها در امتداد خطوط میدان مغناطیسی قرار می گیرند و از قطب N به قطب S در قسمت بیرونی و از قطب S به قطب N در قسمت داخلی قرار می گیرند و یک حلقه بسته را تشکیل می دهند. پرونده های آهنی در نزدیکی قطب های مغناطیسی متراکم هستند و میدان مغناطیسی قوی است ، در حالی که پرونده های آهنی در ناحیه میانی پراکنده هستند و میدان مغناطیسی ضعیف است. این پدیده به وضوح قانون توزیع میدان مغناطیسی را نشان می دهد.

تعامل بین آهن ربا را مشاهده کنید

نیروی بین آهن ربا مانند قطب هایی که یکدیگر را دفع می کنند و برخلاف قطب هایی که یکدیگر را جذب می کنند ، آشکار می شود و با کاهش فاصله ، میزان نیرو افزایش می یابد. از طریق دینامومتر بهار ، می توان مشاهده کرد که خواندن هنگامی که مانند قطب ها به هم نزدیک هستند ، افزایش می یابد و خواندن هنگامی که بر خلاف قطب ها به هم نزدیک است ، کاهش می یابد. نیروی میدان مغناطیسی یک بردار است و جهت آن در امتداد خطی است که قطب ها را به هم وصل می کند. بزرگی به قدرت مغناطیس و فاصله بستگی دارد.

با استفاده از حرکت جریان الکتریکی در یک میدان مغناطیسی

هنگامی که یک جریان الکتریکی در یک میدان مغناطیسی قرار دارد ، توسط نیروی آمپر اعمال می شود ، که عمود بر جهت جریان و میدان مغناطیسی است و با قانون دست راست قابل تعیین است. بزرگی نیروی آمپر متناسب با جریان ، استحکام میدان مغناطیسی و طول سیم است. با استفاده از این اصل ، دستگاه هایی مانند موتورها می توانند برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی تولید شوند.

کاربردهای عملی میدان های مغناطیسی

در صنعت برق:ژنراتورها و ترانسفورماتورها از اصل القاء الکترومغناطیسی برای دستیابی به تبدیل متقابل انرژی الکتریکی و انرژی مکانیکی استفاده می کنند.

پزشکیfield:تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) از میدان های مغناطیسی قوی برای به دست آوردن تصاویر با کیفیت بالا از فضای بدن انسان استفاده می کند و آن را به ابزاری مهم برای تشخیص بیماری تبدیل می کند.

درterms ازtransportation:قطارهای ماگلو برای دستیابی به عملکرد با سرعت بالا با تماس با سرعت بالا ، به نیروی دافع کننده تولید شده توسط میدان مغناطیسی متکی هستند و باعث کاهش ضررهای اصطکاک می شوند.

خلاصه کردن

به عنوان یکی از نیروهای اساسی طبیعت ، میدان مغناطیسی نقش مهمی از ذرات میکروسکوپی تا مقیاس کیهانی ایفا می کند. درک زمینه های مغناطیسی نه تنها به ما کمک می کند تا بر اصول علم و فناوری مدرن تسلط داشته باشیم بلکه به ما کمک می کند تا دنیای فیزیکی را که در آن زندگی می کنیم بهتر بشناسیم. با توسعه علوم مواد و فناوری کوانتومی ، چشم انداز کاربرد زمینه های مغناطیسی در انرژی ، پزشکی ، فناوری اطلاعات و سایر زمینه ها گسترده تر خواهد بود.