Fält finns runt omkring oss. Oavsett om det är gravitationsfältet orsakat av jordens massa eller de elektriska fälten som skapas av laddade partiklar som elektroner, finns det osynliga fält överallt, som representerar potentialer och osynliga krafter som kan förflytta föremål med lämpliga egenskaper.

ett elektriskt fält i ett område betyder att ett laddat föremål kan avledas från sin ursprungliga väg när det kommer in i regionen, och gravitationsfältet på grund av jordens massa håller dig ordentligt på jordens yta om du inte gör något arbete för att övervinna dess påverkan.

Magnetiska fält är orsaken till magnetiska krafter, och objekt som utövar magnetiska krafter på andra objekt gör det genom att skapa ett magnetfält. Magnetiska fält kan detekteras genom avböjning av kompassnålar som står i linje med fältlinjer (magnet norr om nålen pekar mot magnetisk söder). Om du studerar elektricitet och magnetism är lära sig mer om magnetfält och magnetkraften ett avgörande steg på din resa.
Vad är ett magnetfält?

I fysik i allmänhet är fält vektorer med värden i varje område i rymden som berättar hur stark eller svag en effekt är vid den punkten och effektens riktning. Till exempel skapar ett föremål med massa, som solen, ett gravitationsfält, och andra föremål med massa som kommer in i det fältet påverkas av en kraft som resultat. Så här håller solens tyngdkraft jorden i en bana runt den.

Längre ute i solsystemet, till exempel i området Uranus 'bana, gäller samma kraft, men styrkan är mycket lägre. Det är alltid riktat rakt mot solen; om du föreställer dig en samling pilar som omger solen, alla pekar mot den men med längre längder på nära avstånd (starkare kraft) och mindre längder på långa avstånd (svagare kraft), har du i princip föreställt dig tyngdfältet i solsystemet.

På samma sätt som detta skapar objekt med laddning elektriska fält, och rörliga laddningar genererar magnetfält
, vilket kan ge upphov till en magnetisk kraft i ett närliggande laddat föremål eller andra magnetiska material .

Dessa fält är lite mer komplicerade i form av form än gravitationsfält, eftersom de har loopande magnetfältlinjer som kommer ut från den positiva (eller nordpolen) och slutar på den negativa (eller sydpolen) , men de fyller samma grundläggande roll. De är som kraftlinjer som säger hur ett objekt som placeras på en plats kommer att uppträda. Du kan tydligt visualisera detta med järnfilningar, som kommer att anpassa sig till det yttre magnetfältet.

Magnetiska fält är alltid dipolfält, så det finns inga magnetiska monopol. Generellt representeras magnetfält med bokstaven B
, men om ett magnetfält passerar genom ett magnetiskt material kan detta bli polariserat och generera sitt eget magnetfält. Det andra fältet bidrar till det första fältet, och kombinationen av de två hänvisas till med bokstaven H
, där H \u003d B /μ _{m och μ m \u003d K m μ 0, med μ 0 \u003d 4π × 10 ^{- 7 H /m (dvs. den magnetiska permeabiliteten i fritt utrymme) och K m är den relativa permeabiliteten för materialet i fråga.}}

Mängden magnetfält som passerar genom ett givet område kallas magnetflödet. Magnetisk flödestäthet är relaterad till lokal fältstyrka. Eftersom magnetfält alltid är dipolära är det magnetiska nettoflödet genom en stängd yta 0. (Eventuella fältlinjer som kommer ut från ytan, kommer nödvändigtvis in i den igen, avbryter.)
Enheter och mätning |

SI-enheten med magnetfältstyrka är tesla (T), där:

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

En annan allmänt använd enhet för magnetfältstyrka är gauss (G), där:

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

Tesla är en ganska stor enhet, så i många praktiska situationer är gauss ett mer användbart val - till exempel kommer en kylmagnet att ha en styrka på cirka 100 G, medan jordens magnetfält på jordytan är ungefär 0.5 G.
Orsaker till magnetfält

Elektricitet och magnetism är i grunden sammanflätade eftersom magnetfält genereras genom rörlig laddning (som elektriska strömmar) eller byte av elektriska fält, medan ett växlande magnetfält genererar ett elektriskt fält.

I en stångmagnet eller ett liknande magnetiskt föremål resulterar magnetfältet av att flera magnetiska "domäner" blir i linje, vilket i sin tur skapas av rörelsen hos de laddade elektronerna runt kärnorna i deras atomer. Dessa rörelser producerar små magnetfält inom en domän. I de flesta material kommer domäner att ha slumpmässig inriktning och avbryta varandra, men i vissa material blir magnetfält i angränsande domäner inriktade, och detta producerar magnetism i större skala.

Jordens magnetfält genereras också genom att flytta laddning, men i detta fall är det rörelsen hos det smälta skiktet som omger jordens kärna som skapar magnetfältet. Detta förklaras av dynamo teori
, som beskriver hur en roterande, elektriskt laddad vätska genererar ett magnetfält. Jordens yttre kärna innehåller konstant rörligt järn, med elektroner som reser genom vätskan och genererar magnetfältet.

Solen har också ett magnetfält, och förklaringen till hur detta fungerar är mycket lika. Men de varierande rotationshastigheterna för olika delar av solen (dvs det vätskeliknande materialet på olika breddegrader) leder till att fältlinjerna trasslar in över tiden såväl som många fenomen som är förknippade med solen, som solbrännor och solfläckar och den ungefär 11-åriga solcykeln. Solen har två poler, precis som en stångmagnet, men rörelserna i solens plasma och den gradvis ökande solaktiviteten får magnetpolerna att vända var 11: e år.
Magnetiska fältformler

Magnetfälten på grund av olika arrangemang för rörlig laddning måste härledas individuellt, men det finns många standardformler du kan använda så att du inte behöver "återuppfinna hjulet" varje gång. Du kan härleda formler för i princip alla arrangemang för flyttning av laddning med hjälp av Biot-Savart-lagen eller Ampere-Maxwell-lagen. Men de resulterande formlerna för enkla arrangemang av elektrisk ström används så ofta och citeras att du helt enkelt kan behandla dem som "standardformler" snarare än härleda dem från lagen Biot-Savart eller Ampere-Maxwell varje gång.

Magnetfältet för en linjär ström bestäms av Ampere-lagen (en enklare form av Ampere-Maxwell-lagen) som:
B \u003d \\ frac {μ_0 I} {2 π r}

Var μ
_{0 är som definierats tidigare, I
är strömmen i ampere och r
är avståndet från den tråd som du mäter magnetfältet.}

Magnetfältet i mitten av en strömslinga ges av:
B \u003d \\ frac {μ_0 I} {2 R}

Där R
är radien för slingan och de andra symbolerna är som tidigare definierats.

Slutligen ges magnetfältet för en magnetventil av:
B \u003d μ_0 \\ frac {N} {L} I

Var N
är antalet varv och L
är solenoidens längd. Magnetfältet för en magnetventil är till stor del koncentrerat i mitten av spolen.
Exempel Beräkningar

Att lära sig att använda dessa ekvationer (och de som dem) är det viktigaste du måste göra när du beräknar ett magnetfält eller den resulterande magnetiska kraften, så ett exempel på var och en kommer att hjälpa dig att ta itu med den typ av problem du troligtvis kommer att stöta på.

För en lång rak tråd med en 5-ampere ström, (dvs. I \u003d 5 A), vad är magnetfältstyrkan 0,5 m från tråden?

Att använda den första ekvationen med I \u003d 5 A och r \u003d 0,5 m ger:
\\ begin {inriktad} 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} \\ slut {inriktad}

Nu för en strömslinga som bär I \u003d 10 A och med en radie av r \u003d 0,2 m, vad är Den andra ekvationen ger:
\\ börja {inriktad} B &\u003d \\ frac {μ_0 I} {2R} \\\\ &\u003d \\ frac {4π × 10 ^ {- 7} \\ text {H /m} × 10 \\ text {A}} {2 × 0.2 \\ text {m}} \\\\ &\u003d 3,14 × 10 ^ {- 5} \\ text {T} \\ slut {inriktad}

Slutligen för en magnetventil med N \u003d 15 varv i en längd av L \u003d 0,1 m, med en ström på 4 A, vad är magnetfältstyrkan i mitten?

Den tredje ekvationen ger:
\\ begin {inriktad} B &\u003d μ_0 \\ frac {N} {L} I \\\\ &\u003d 4π × 10 ^ {- 7} \\ text {H /m} × \\ frac {15 \\ text {omgångar}} {0.1 \\ text {m}} × 4 \\ text {A} \\\\ &\u003d 7.54 × 10 ^ {- 4} \\ text {T} \\ end {inriktad}

Andra exempel på magnetfältberäkningar kan fungera lite annorlunda - till exempel berätta fältet i mitten av en magnetventil och strömmen, men ber om N /L-förhållandet - men så länge du är bekant med ekvationerna kommer du inte att ha problem med att svara på dem.