Velden zijn overal om ons heen. Of het nu het zwaartekrachtsveld is dat wordt veroorzaakt door de massa van de aarde of de elektrische velden die worden gecreëerd door geladen deeltjes zoals elektronen, er zijn overal onzichtbare velden die potentiëlen en ongeziene krachten vertegenwoordigen die in staat zijn objecten met geschikte kenmerken te verplaatsen.

Bijvoorbeeld een elektrisch veld in een gebied betekent dat een geladen object van zijn oorspronkelijke pad kan worden afgebogen wanneer het het gebied binnenkomt, en het zwaartekrachtsveld door de massa van de aarde houdt je stevig op het oppervlak van de aarde, tenzij je wat werk doet om het te overwinnen invloed.

Magnetische velden zijn de oorzaak van magnetische krachten, en objecten die magnetische krachten op andere objecten uitoefenen, doen dit door een magnetisch veld te creëren. Magnetische velden kunnen worden gedetecteerd door afbuiging van kompasnaalden die in lijn liggen met veldlijnen (het magnetische noorden van de naald wijst naar het magnetische zuiden). Als je elektriciteit en magnetisme bestudeert, is meer leren over magnetische velden en de magnetische kracht een cruciale stap op je reis.
Wat is een magnetisch veld?

In de natuurkunde in het algemeen zijn velden vectoren met waarden in elke regio van de ruimte die u vertellen hoe sterk of zwak een effect op dat punt is, en de richting van het effect. Bijvoorbeeld, een object met massa, zoals de zon, creëert een zwaartekrachtsveld en andere objecten met massa die dat veld binnenkomen worden hierdoor beïnvloed door een kracht. Dit is hoe de zwaartekracht van de zon de aarde in een baan eromheen houdt.

Verder weg in het zonnestelsel, zoals bij het bereik van de baan van Uranus, is dezelfde kracht van toepassing, maar de sterkte is veel lager. Het is altijd recht op de zon gericht; als je je een verzameling pijlen voorstelt die de zon omringen, die er allemaal naar toe wijzen maar met langere lengtes op korte afstanden (sterkere kracht) en kleinere lengtes op lange afstanden (zwakkere kracht), dan heb je je in principe het zwaartekrachtveld in het zonnestelsel voorgesteld.

Op dezelfde manier creëren objecten met lading elektrische velden, en bewegende ladingen genereren magnetische velden
, die aanleiding kunnen geven tot een magnetische kracht in een nabijgelegen geladen object of andere magnetische materialen .

Deze velden zijn wat gecompliceerder qua vorm dan zwaartekrachtvelden, omdat ze lusvormige magnetische veldlijnen hebben die uit de positieve (of noordpool) komen en aan de negatieve (of zuidpool) eindigen. , maar ze vervullen dezelfde basisrol. Het zijn net krachtlijnen die u vertellen hoe een object dat zich op een locatie bevindt, zich zal gedragen. U kunt dit duidelijk visualiseren met behulp van ijzervijlsel, dat in lijn is met het externe magnetische veld.

Magnetische velden zijn altijd dipoolvelden, dus er zijn geen magnetische monopolen. In het algemeen worden magnetische velden weergegeven met de letter B
, maar als een magnetisch veld door een magnetisch materiaal gaat, kan dit gepolariseerd worden en zijn eigen magnetisch veld genereren. Dit tweede veld draagt bij aan het eerste veld, en de combinatie van beide wordt aangeduid met de letter H
, waarbij H \u003d B /μ _{m en μ m \u003d K m μ 0, met μ 0 \u003d 4π × 10 ^{- 7 H /m (dwz de magnetische permeabiliteit van de vrije ruimte) en K m is de relatieve permeabiliteit van het materiaal in kwestie.}}

De hoeveelheid magnetisch veld die door een bepaald gebied gaat, wordt de magnetische flux genoemd. Magnetische fluxdichtheid is gerelateerd aan lokale veldsterkte. Omdat magnetische velden altijd dipolair zijn, is de netto magnetische flux door een gesloten oppervlak 0. (Alle veldlijnen die het oppervlak verlaten, komen er noodzakelijkerwijs weer binnen, annuleren).
Eenheden en metingen

De SI-eenheid van magnetische veldsterkte is de tesla (T), waarbij:

1 tesla \u003d 1 T \u003d 1 kg /A s ^{2 \u003d 1 V s /m 2 \u003d 1 N /A m}

Een andere veel gebruikte eenheid voor magnetische veldsterkte is de gauss (G), waarbij:

1 gauss \u003d 1 G \u003d 10 ^{- 4 T}

De tesla is een vrij grote eenheid, dus in veel praktische situaties is de gauss een nuttiger keuze - een koelkastmagneet heeft bijvoorbeeld een sterkte van ongeveer 100 G, terwijl het magnetische veld van de aarde op het aardoppervlak ongeveer 0.5 G.
Oorzaken van magnetische velden

Elektriciteit en magnetisme zijn fundamenteel met elkaar verweven omdat magnetische velden worden gegenereerd door bewegende lading (zoals elektrische stromen) of veranderende elektrische velden, terwijl een veranderend magnetisch veld een elektrisch veld genereert.

In een staafmagneet of een soortgelijk magnetisch object ontstaat het magnetische veld doordat verschillende magnetische "domeinen" worden uitgelijnd, die op hun beurt worden gecreëerd door de beweging van de geladen elektronen rond de kernen van hun atomen. Deze bewegingen produceren kleine magnetische velden binnen een domein. In de meeste materialen zullen domeinen willekeurige uitlijning hebben en elkaar opheffen, maar in sommige materialen worden de magnetische velden in aangrenzende domeinen uitgelijnd, en dit produceert grootschaliger magnetisme.

Het magnetische veld van de aarde wordt ook gegenereerd door lading te verplaatsen, maar in dit geval is het de beweging van de gesmolten laag rond de kern van de aarde die het magnetische veld creëert. Dit wordt verklaard door dynamo theorie
, die beschrijft hoe een roterende, elektrisch geladen vloeistof een magnetisch veld genereert. De buitenste kern van de aarde bevat constant bewegend vloeibaar ijzer, met elektronen die door de vloeistof reizen en het magnetische veld opwekken.

De zon heeft ook een magnetisch veld en de uitleg voor hoe dit werkt is zeer vergelijkbaar. De variërende rotatiesnelheden van verschillende delen van de zon (dwz het vloeistofachtige materiaal op verschillende breedtegraden) leiden er echter toe dat de veldlijnen in de loop van de tijd verstrikt raken, evenals vele fenomenen die met de zon samenhangen, zoals zonnevlammen en zonnevlekken , en de ongeveer 11-jarige zonnecyclus. De zon heeft twee polen, net als een staafmagneet, maar de bewegingen van het plasma van de zon en de geleidelijk toenemende zonneactiviteit zorgen ervoor dat de magnetische polen om de 11 jaar omdraaien.
Magnetische veldformules

De magnetische velden vanwege verschillende regelingen voor het verplaatsen van lading moeten afzonderlijk worden afgeleid, maar er zijn veel standaardformules die u kunt gebruiken, zodat u niet elke keer het wiel opnieuw hoeft uit te vinden. U kunt formules afleiden voor vrijwel elke regeling van het verplaatsen van lading met behulp van de wet Biot-Savart of de wet Ampere-Maxwell. De resulterende formules voor eenvoudige arrangementen van elektrische stroom worden echter zo vaak gebruikt en geciteerd dat u ze eenvoudig kunt behandelen als "standaardformules" in plaats van ze elke keer te ontlenen aan de wet Biot-Savart of Ampere-Maxwell.

Het magnetische veld van een lineaire stroom wordt bepaald uit de wet van Ampere (een eenvoudiger vorm van de wet Ampere-Maxwell) als:
B \u003d \\ frac {μ_0 I} {2 π r}

Where μ
_{0 is zoals eerder gedefinieerd, I
is de stroom in ampère en r
is de afstand van de draad waarmee u het magnetische veld meet.}

Het magnetische veld in het midden van een stroomlus wordt gegeven door:
B \u003d \\ frac {μ_0 I} {2 R}

Waar R
de straal van de lus is , en de andere symbolen zijn zoals eerder gedefinieerd.

Ten slotte wordt het magnetische veld van een solenoïde gegeven door:
B \u003d μ_0 \\ frac {N} {L} I

Waar N
is het aantal beurten en L
is de lengte van de solenoïde. Het magnetische veld van een solenoïde is grotendeels geconcentreerd in het midden van de spoel.
Voorbeeldberekeningen

Het leren gebruiken van deze vergelijkingen (en dergelijke) is het belangrijkste dat u moet doen bij het berekenen een magnetisch veld of de resulterende magnetische kracht, dus een voorbeeld van elk zal u helpen het soort problemen aan te pakken die u waarschijnlijk zult tegenkomen.

Voor een lange rechte draad met een stroom van 5 ampère (dwz I \u003d 5 A), wat is de magnetische veldsterkte 0,5 m verwijderd van de draad?

De eerste vergelijking met I \u003d 5 A en r \u003d 0,5 m geeft:
\\ begin {uitgelijnd} B & \u003d \\ frac {μ_0 I} {2 π r} \\\\ & \u003d \\ frac {4π × 10 ^ {- 7} \\ text {H /m} × 5 \\ text {A}} {2π × 0.5 \\ text { m}} \\\\ & \u003d 2 × 10 ^ {- 6} \\ text {T} \\ end {align}

Nu voor een stroomlus met I \u003d 10 A en met een straal van r \u003d 0,2 m, wat is het magnetische veld in het midden van de lus? De tweede vergelijking geeft:
\\ begin {uitgelijnd} B & \u003d \\ frac {μ_0 I} {2R} \\\\ & \u003d \\ frac {4π × 10 ^ {- 7} \\ text {H /m} × 10 \\ tekst {A}} {2 × 0.2 \\ text {m}} \\\\ & \u003d 3.14 × 10 ^ {- 5} \\ text {T} \\ end {gericht}

Tot slot, voor een solenoïde met N \u003d 15 beurten in een lengte van L \u003d 0,1 m, met een stroom van 4 A, wat is de magnetische veldsterkte in het midden?

De derde vergelijking geeft:
\\ begin {uitgelijnd} B & \u003d μ_0 \\ frac {N} {L} I \\\\ & \u003d 4π × 10 ^ {- 7} \\ text {H /m} × \\ frac {15 \\ text {beurten}} {0.1 \\ text {m}} × 4 \\ text {A} \\\\ & \u003d 7,54 × 10 ^ {- 4} \\ text {T} \\ end {align}

Andere voorbeelden van magnetische veldberekeningen kunnen een beetje anders werken - bijvoorbeeld, u vertellen het veld in het midden van een solenoïde en de stroom, maar dan om de N /L-ratio vragen - maar zolang u bekend bent met de vergelijkingen, zult u geen problemen hebben om ze te beantwoorden.