MAGNETISCH VELD: INTENSITEIT, KENMERKEN, BRONNEN, VOORBEELDEN - FYSIEK - 2024

Het magnetische veld is de invloed die bewegende elektrische ladingen hebben op de ruimte eromheen. Ladingen hebben altijd een elektrisch veld, maar alleen bewegende ladingen kunnen magnetische effecten genereren.

Het bestaan ​​van magnetisme is al lang bekend. De oude Grieken beschreven een mineraal dat kleine stukjes ijzer kan aantrekken: het was de magneet of magnetiet.

Figuur 1. Magnetietmonster. Bron: Wikimedia Commons. Rojinegro81.

De wijzen Thales van Miletus en Plato waren bezig magnetische effecten in hun geschriften vast te leggen; ze kenden trouwens ook statische elektriciteit.

Maar magnetisme werd pas in de 19e eeuw geassocieerd met elektriciteit, toen Hans Christian Oersted opmerkte dat het kompas afwijkde in de buurt van een stroomvoerende geleidende draad.

Tegenwoordig weten we dat elektriciteit en magnetisme, om zo te zeggen, twee kanten van dezelfde medaille zijn.

Magnetisch veld in de natuurkunde

In de natuurkunde is de term magnetisch veld een vectorgrootheid, met modulus (de numerieke waarde), richting in ruimte en zin. Het heeft ook twee betekenissen. De eerste is een vector soms magnetische inductie en wordt aangeduid met B .

De eenheid van B in het International System of Units is de tesla, afgekort T. De andere grootte, ook wel magnetisch veld genoemd, is H , ook bekend als magnetische veldintensiteit en waarvan de eenheid ampère / meter is.

Beide grootheden zijn proportioneel, maar ze zijn op deze manier gedefinieerd om rekening te houden met de effecten die magnetische materialen hebben op de velden die er doorheen gaan.

Als een materiaal in het midden van een extern magnetisch veld wordt geplaatst, is het resulterende veld hiervan afhankelijk en ook van de eigen magnetische respons van het materiaal. Dat is de reden waarom B en H gerelateerd zijn aan:

B = μ _m H

Hier μ _m een constante is die afhankelijk van het materiaal en een geschikte eenheden zodat wanneer vermenigvuldigen met H het resultaat tesla.

C

-Het magnetische veld is een vectormagnitude, daarom heeft het magnitude, richting en gevoel.

-De eenheid van het magnetische veld B in het internationale systeem is de tesla, afgekort als T, terwijl H de ampère / meter is. Andere eenheden die veel voorkomen in de literatuur zijn de gauss (G) en de oersted.

-Magnetische veldlijnen zijn altijd gesloten lussen en verlaten een noordpool en gaan een zuidpool binnen. Het veld raakt altijd de lijnen.

-De magnetische polen worden altijd gepresenteerd in een Noord-Zuid-paar. Het is niet mogelijk om een ​​geïsoleerde magnetische pool te hebben.

-Het komt altijd voort uit de beweging van elektrische ladingen.

-De intensiteit is evenredig met de grootte van de belasting of de stroom die deze produceert.

-De grootte van het magnetische veld neemt af met het omgekeerde van het kwadraat van de afstand.

-Magnetische velden kunnen constant of variabel zijn, zowel in tijd als in ruimte.

-Een magnetisch veld kan een magnetische kracht uitoefenen op een bewegende lading of op een draad die stroom voert.

Polen van een magneet

Een staafmagneet heeft altijd twee magnetische polen: de noordpool en de zuidpool. Het is heel gemakkelijk om te verifiëren dat palen met hetzelfde teken afstoten, terwijl palen van verschillende typen elkaar aantrekken.

Dit lijkt veel op wat er gebeurt met elektrische ladingen. Er kan ook worden opgemerkt dat hoe dichter ze zijn, hoe groter de kracht waarmee ze elkaar aantrekken of afstoten.

Staafmagneten hebben een onderscheidend patroon van veldlijnen. Het zijn scherpe bochten die de noordpool verlaten en de zuidpool binnengaan.

Figuur 2. Magnetische veldlijnen van een staafmagneet. Bron: Wikimedia Commons.

Een eenvoudig experiment om naar deze lijnen te kijken, is door ijzervijlsel over een vel papier te strooien en er een staafmagneet onder te plaatsen.

De intensiteit van het magnetische veld wordt gegeven als functie van de dichtheid van veldlijnen. Deze zijn altijd het dichtst bij de polen en verspreiden zich als we van de magneet weggaan.

De magneet staat ook wel bekend als een magnetische dipool, waarbij de twee polen precies de magnetische noord- en zuidpool zijn.

Maar ze kunnen nooit worden gescheiden. Als je de magneet doormidden snijdt, krijg je twee magneten, elk met zijn respectievelijke noord- en zuidpool. Geïsoleerde polen worden magnetische monopolen genoemd, maar tot op heden is er geen enkele geïsoleerd.

Bronnen

Men kan spreken van verschillende bronnen van magnetisch veld. Ze variëren van magnetische mineralen, via de aarde zelf, die zich gedraagt ​​als een grote magneet, tot elektromagneten.

Maar de waarheid is dat elk magnetisch veld zijn oorsprong vindt in de beweging van geladen deeltjes.

Later zullen we zien dat de oerbron van al het magnetisme in de kleine stroompjes in het atoom ligt, voornamelijk die welke worden geproduceerd door de bewegingen van de elektronen rond de kern en door de kwantumeffecten die in het atoom aanwezig zijn.

Wat betreft de macroscopische oorsprong kan men echter denken aan natuurlijke bronnen en kunstmatige bronnen.

Natuurlijke bronnen gaan in principe niet "uit", het zijn permanente magneten, maar er moet rekening mee worden gehouden dat warmte het magnetisme van de stoffen vernietigt.

Wat betreft kunstmatige bronnen, kan het magnetische effect worden onderdrukt en gecontroleerd. Daarom hebben we:

-Magneten van natuurlijke oorsprong, gemaakt van magnetische mineralen zoals magnetiet en maghemiet, beide ijzeroxiden bijvoorbeeld.

-Elektrische stromen en elektromagneten.

Magnetische mineralen en elektromagneten

In de natuur zijn er verschillende verbindingen die opmerkelijke magnetische eigenschappen vertonen. Ze zijn in staat om bijvoorbeeld stukjes ijzer en nikkel aan te trekken, maar ook andere magneten.

De genoemde ijzeroxiden, zoals magnetiet en maghemiet, zijn voorbeelden van deze klasse stoffen.

Magnetische gevoeligheid is de parameter die wordt gebruikt om de magnetische eigenschappen van gesteenten te kwantificeren. Fundamentele stollingsgesteenten zijn die met de hoogste gevoeligheid, vanwege hun hoge gehalte aan magnetiet.

Aan de andere kant, zolang je een draad hebt die stroom voert, zal er een bijbehorend magnetisch veld zijn. Hier hebben we een andere manier om een ​​veld te genereren, dat in dit geval de vorm aanneemt van concentrische cirkels met de draad.

De bewegingsrichting van het veld wordt bepaald door de regel van de rechterduim. Als de duim van de rechterhand in de richting van de stroom wijst, geven de vier overgebleven vingers de richting aan waarin de veldlijnen zijn gebogen.

Figuur 3. Rechter duimregel om de richting en het gevoel van het magnetische veld te bepalen. Bron: Wikimedia Commons.

Een elektromagneet is een apparaat dat magnetisme produceert uit elektrische stromen. Het heeft het voordeel dat het naar believen kan worden in- en uitgeschakeld. Als de stroom ophoudt, verdwijnt het magnetische veld. Bovendien kan de veldintensiteit ook worden gecontroleerd.

Elektromagneten maken deel uit van verschillende apparaten, waaronder onder meer luidsprekers, harde schijven, motoren en relais.

Magnetische kracht op een bewegende lading

Het bestaan ​​van een magnetisch veld B kan worden geverifieerd door middel van een test elektrische lading, q genaamd, en die beweegt met snelheid v . Hiervoor is de aanwezigheid van elektrische en zwaartekrachtvelden uitgesloten, althans voorlopig.

In dat geval is de kracht die wordt ervaren door de lading q, die wordt aangeduid als F _B , volledig te wijten aan de invloed van het veld. Kwalitatief wordt het volgende opgemerkt:

-De grootte van F _B is evenredig met q en een snelheid v.

-Als v parallel is aan de magnetische veldvector, is de grootte van F _B nul.

-De magnetische kracht staat loodrecht op zowel v als B.

-Tenslotte is de grootte van de magnetische kracht evenredig met sin θ, waarbij θ de hoek is tussen de snelheidsvector en de magnetische veldvector.

Al het bovenstaande is geldig voor zowel positieve als negatieve ladingen. Het enige verschil is dat de richting van de magnetische kracht wordt omgekeerd.

Deze waarnemingen komen overeen met het vectorproduct tussen twee vectoren, zodat de magnetische kracht die wordt ervaren door een puntlading q, bewegend met snelheid v in het midden van een magnetisch veld, is:

F _B = q v x B

Wiens module is:

Figuur 4. Rechterhandregel voor de magnetische kracht op een positieve puntlading. Bron: Wikimedia Commons.

Hoe wordt een magnetisch veld opgewekt?

Er zijn verschillende manieren, bijvoorbeeld:

-Door een geschikte substantie te magnetiseren.

- Een elektrische stroom door een geleidende draad leiden.

Maar de oorsprong van magnetisme in materie wordt verklaard door te bedenken dat het verband moet houden met de beweging van ladingen.

Een elektron dat in een baan om de kern draait, is in wezen een minuscuul gesloten stroomcircuit, maar een dat aanzienlijk kan bijdragen aan het magnetisme van het atoom. Er zitten heel veel elektronen in een stuk magnetisch materiaal.

Deze bijdrage aan het magnetisme van het atoom wordt het orbitaal magnetisch moment genoemd. Maar er is meer, want de vertaling is niet de enige beweging van het elektron. Het heeft ook een magnetisch rotatiemoment, een kwantumeffect waarvan de analogie is dat het elektron rond zijn as draait.

In feite is het magnetische draaimoment de belangrijkste oorzaak van het magnetisme van een atoom.

Soorten

Het magnetische veld kan vele vormen aannemen, afhankelijk van de verdeling van de stromen die het veroorzaken. Het kan op zijn beurt niet alleen variëren in ruimte, maar ook in tijd, of beide tegelijk.

-In de buurt van de polen van een elektromagneet is er een ongeveer constant veld.

-Ook binnen een solenoïde wordt een hoog intensiteit en uniform veld verkregen, met de veldlijnen gericht langs de axiale as.

-Het magnetische veld van de aarde benadert vrij goed het veld van een staafmagneet, vooral in de buurt van het oppervlak. Verder weg verandert de zonnewind de elektrische stromen en vervormt deze aanzienlijk.

-Een draad die stroom voert heeft een veld in de vorm van concentrische cirkels met de draad.

Met betrekking tot het al dan niet variëren van het veld in de tijd, hebben we:

-Statische magnetische velden, wanneer noch hun grootte, noch hun richting in de loop van de tijd veranderen. Het veld van een staafmagneet is een goed voorbeeld van dit type veld. Ook die afkomstig zijn van draden die stationaire stromen voeren.

-Variabele velden in de tijd, als een van hun kenmerken in de tijd varieert. Een manier om ze te verkrijgen is van wisselstroomgeneratoren, die gebruik maken van het fenomeen magnetische inductie. Ze zijn te vinden in veel veelgebruikte apparaten, bijvoorbeeld mobiele telefoons.

De wet van Biot-Savart

Wanneer het nodig is om de vorm van het magnetische veld te berekenen dat wordt geproduceerd door een verdeling van stromen, kan gebruik worden gemaakt van de wet van Biot-Savart, ontdekt in 1820 door de Franse fysici Jean Marie Biot (1774-1862) en Felix Savart (1791-1841). ).

Voor sommige stroomverdelingen met eenvoudige geometrieën kan direct een wiskundige uitdrukking voor de magnetische veldvector worden verkregen.

Stel dat we een draadsegment hebben met een differentiële lengte dl dat een elektrische stroom I voert. Aangenomen wordt dat de draad zich ook in een vacuüm bevindt. Het magnetische veld dat deze verdeling produceert:

-Vermindert met de inverse van het kwadraat van de afstand tot de draad.

-Het is evenredig met de intensiteit van de stroom I die door de draad gaat.

-De richting is tangentieel aan de omtrek van straal r gecentreerd op de draad en de richting wordt gegeven door de regel van de rechterduim.

- μ _o = 4π. 10 ^-7 Tm / A

- d B is een magnetisch veldverschil.

- Ik is de intensiteit van de stroom die door de draad vloeit.

- r is de afstand tussen het midden van de draad en het punt waar u het veld wilt vinden.

-r is de vector die van de draad naar het punt gaat waar u het veld wilt berekenen.

Voorbeelden

Hieronder staan ​​twee voorbeelden van magnetisch veld en hun analytische uitdrukkingen.

Magnetisch veld geproduceerd door een zeer lange rechtlijnige draad

Door middel van de wet van Biot-Savart is het mogelijk om het veld te verkrijgen dat wordt geproduceerd door een dunne eindige geleiderdraad die een stroom I voert. resultaat:

Veld gecreëerd door de Helmholtz-spoel

De Helmholtz-spoel bestaat uit twee identieke en concentrische cirkelvormige spoelen, waaraan dezelfde stroom wordt doorgegeven. Ze dienen om er een ongeveer uniform magnetisch veld in te creëren.

Figuur 5. Schematische voorstelling van de Helmholtz-spoelen. Bron: Wikimedia Commons.

De omvang in het midden van de spoel is:

Y is gericht langs de axiale as. De factoren van de vergelijking zijn:

- N staat voor het aantal windingen van de spoelen

- Ik ben de omvang van de stroom

- μ _o is de magnetische permeabiliteit van het vacuüm

- R is de straal van de spoelen.

Referenties

1. Figueroa, D. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Deel 1. Kinematica. Bewerkt door Douglas Figueroa (USB).
2. Magnetische veldsterkte H . Hersteld van: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Natuurkunde: een blik op de wereld. 6e verkorte editie. Cengage leren.
4. Magnetisch veld en magnetische krachten. Hersteld van: physics.ucf.edu.
5. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
6. Serway, R., Jewett, J. (2008). Physics for Science and Engineering. Deel 2. 7e. Ed. Cengage Learning.
7. Universiteit van Vigo. Voorbeelden van magnetisme. Hersteld van: quintans.webs.uvigo.es