Μαγνητικό πεδίο

Το μαγνητικό πεδίο είναι η περιοχή στην οποία γίνεται αισθητή η επίδραση του μαγνητισμού γύρω από έναν μαγνήτη. Το μαγνητικό πεδίο είναι ένα εργαλείο που χρησιμοποιούμε για να εξηγήσουμε πώς η μαγνητική δύναμη διαχέεται στον χώρο που περιβάλλει και μέσα στα μαγνητικά αντικείμενα στη φύση.

Ιστορία του Μαγνητικού Πεδίου 

Πρώιμα στάδια ανάπτυξης

Ενώ οι αρχαίοι πολιτισμοί γνώριζαν τους μαγνήτες και ορισμένες από τις δυνατότητές τους, ήταν το 1269 όταν ο Γάλλος λόγιος Petrus Peregrinus de Mari χρησιμοποίησε σιδερένιες βελόνες για να τραβήξει το μαγνητικό πεδίο στην επιφάνεια ενός σφαιρικού μαγνήτη.

Μαθηματική ανάπτυξη

Οι μαγνητικοί πόλοι έλκονται και απωθούνται σύμφωνα με έναν κανόνα αντίστροφου τετραγώνου, σύμφωνα με τον John Michell το 1750. Το 1785, ο Charles-Augustin de Coulomb το επιβεβαίωσε εμπειρικά, υποστηρίζοντας ότι ο βόρειος και ο νότιος πόλος δεν μπορούν να διαχωριστούν. Το 1820, τρεις ανακαλύψεις κλόνισαν τα θεμέλια του μαγνητισμού. Ένα σύρμα που μεταφέρει ρεύμα περιβάλλεται από ένα κυκλικό μαγνητικό πεδίο, όπως απέδειξε ο Hans Christian Orsted.

Ο Michael Faraday ανέπτυξε ηλεκτρομαγνητική επαγωγή το 1831 όταν ανακάλυψε ότι ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο δημιουργεί ένα περιβάλλον ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο ονόμασε νόμος επαγωγής του Faraday. Ο Λόρδος Κέλβιν, γνωστός τότε ως Γουίλιαμ Τόμσον, διαφοροποίησε δύο μαγνητικά πεδία, που συνήθως αναφέρονται ως Η και Β, το 1850.

Οι εξισώσεις του Maxwell, οι οποίες περιέγραφαν και συνέδεαν όλο τον κλασικό ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό, δημιουργήθηκαν και δημοσιεύτηκαν μεταξύ 1861 και 1865 από τον James Clerk Maxwell. Το 1861, μια μελέτη με τίτλο On Physical Lines of Force παρουσίασε το πρώτο σύνολο αυτών των εξισώσεων.

Πρόσφατες βελτιώσεις

Ο Tesla δημιούργησε τον πρώτο κινητήρα επαγωγής εναλλασσόμενου ρεύματος το 1887. Για την περιστροφή του κινητήρα χρησιμοποιήθηκε πολυφασικό ρεύμα, το οποίο σχημάτισε ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Τον Μάιο του 1888, ο Τέσλα εξασφάλισε ένα δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για τον ηλεκτροκινητήρα του. Ο Galileo Ferraris εξερεύνησε ανεξάρτητα τα περιστρεφόμενα μαγνητικά πεδία το 1885 και παρουσίασε τα ευρήματά του στη Βασιλική Ακαδημία Επιστημών στο Τορίνο σε μια έκθεση που δημοσιεύτηκε μόλις δύο μήνες πριν ο Τέσλα λάβει το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας του τον Μάρτιο του 1888.

Σχηματική αναπαράσταση μαγνητικού πεδίου

Ένα μαγνητικό πεδίο μπορεί συνήθως να εμφανίζεται με έναν από τους παρακάτω δύο τρόπους:

• Διάνυσμα μαγνητικού πεδίου
• Γραμμές μαγνητικού πεδίου

Διάνυσμα μαγνητικού πεδίου

Ένα διανυσματικό πεδίο μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για να εξηγήσει αναλυτικά το μαγνητικό πεδίο. Το διανυσματικό πεδίο αποτελείται από ένα πλέγμα πολλών διαφορετικών διανυσμάτων. Κάθε διάνυσμα σε αυτό το σενάριο δείχνει προς την ίδια κατεύθυνση με μια πυξίδα και έχει μήκος ανάλογο με τη δύναμη της μαγνητικής έλξης.

Γραμμές μαγνητικών πεδίων

Οι γραμμές πεδίου είναι ένας διαφορετικός τρόπος αναπαράστασης των πληροφοριών σε ένα μαγνητικό διανυσματικό πεδίο. Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου αποτελούνται από πλασματικές γραμμές.

Ιδιότητες γραμμής μαγνητικού πεδίου

1. Οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου δεν διασταυρώνονται ποτέ.
2. Η πυκνότητα των γραμμών πεδίου αντιπροσωπεύει την ένταση του πεδίου.
3. Οι κλειστοί βρόχοι σχηματίζονται πάντα από γραμμές μαγνητικού πεδίου.
4. Οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου ξεκινούν ή ξεκινούν πάντα από τον βόρειο πόλο και τελειώνουν στο νότιο πόλο.

Ισχύς μαγνητικού πεδίου 

Η ισχύς του μαγνητικού πεδίου, συχνά γνωστή ως ένταση μαγνητικού πεδίου ή μαγνητική ένταση, είναι ένα μέτρο του πόσο ισχυρό είναι ένα μαγνητικό πεδίο. Συμβολίζεται με το γράμμα H και ορίζεται ως η αναλογία MMF (MagnetoMotive Force) που απαιτείται για την παραγωγή μιας δεδομένης πυκνότητας ροής (B) μέσα σε ένα δεδομένο υλικό ανά μονάδα μήκους αυτού του υλικού. Η ισχύς ενός μαγνητικού πεδίου μετριέται σε αμπέρ ανά μέτρο.

Το Tesla είναι η μονάδα SI για την ένταση του μαγνητικού πεδίου. Η ένταση πεδίου που παράγει ένα Newton δύναμης ανά αμπέρ ρεύματος ανά μέτρο του αγωγού καθορίζεται ως ένα Tesla (1 T).

Δίνεται από τον τύπο:
H=Bμ−M

Πού,

• B είναι η πυκνότητα μαγνητικής ροής
• Μ είναι η μαγνήτιση
• μ είναι η μαγνητική διαπερατότητα

Τι προκαλεί την ύπαρξη ενός μαγνητικού πεδίου;

Όταν ένα φορτίο κινείται, δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο. Υπάρχουν δύο βασικές μέθοδοι για να μετακινήσετε ένα φορτίο και να δημιουργήσετε ένα σημαντικό μαγνητικό πεδίο. Οι διαθέσιμες εναλλακτικές είναι οι εξής:

• Μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα
• Κίνηση ηλεκτρονίων γύρω από τους πυρήνες των ατόμων

Ένας αγωγός που μεταφέρει ρεύμα παράγει μαγνητικό πεδίο.

Ας κατανοήσουμε την έννοια της μαγνητικής δύναμης σε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα: 

Όταν ένα ηλεκτρικό φορτίο βρίσκεται σε κίνηση, σύμφωνα με το Ampere, σχηματίζεται ένα μαγνητικό πεδίο. Σκεφτείτε ένα καλώδιο που είναι συνδεδεμένο σε μια μπαταρία για να ρέει το ρεύμα. Το μαγνητικό πεδίο εκτείνεται σε κλείδωμα με το ρεύμα να διέρχεται από τον αγωγό. Το μαγνητικό πεδίο εξασθενεί καθώς απομακρυνόμαστε από το σύρμα. Αυτό ορίζεται από το νόμο του Ampere. Το μαγνητικό πεδίο στο r από έναν μακρύ αγωγό I που φέρει ρεύμα δίνεται από την εξίσωση, σύμφωνα με το νόμο.

B=μI2πr

Τα μαγνητικά πεδία μπορούν να συγκεντρωθούν από υλικά με υψηλότερη διαπερατότητα.

Εφόσον είναι διανυσματικό μέγεθος, το μαγνητικό πεδίο έχει κατεύθυνση. Ο κανόνας του δεξιού χεριού μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό του συμβατικού ρεύματος που ρέει μέσω ενός ευθύγραμμου σύρματος. Για να χρησιμοποιήσετε αυτόν τον κανόνα, φανταστείτε να τυλίγετε το δεξί σας χέρι γύρω από το σύρμα και να στρέφετε τον αντίχειρά σας προς την παρούσα κατεύθυνση. Τα δάχτυλα απεικονίζουν την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου καθώς τυλίγεται γύρω από το καλώδιο.

Η κίνηση των ηλεκτρονίων γύρω από τους ατομικούς πυρήνες

Η κινητικότητα των ηλεκτρονίων γύρω από τους πυρήνες είναι αυτή που κάνει τους μόνιμους μαγνήτες να λειτουργούν. Μόνο μερικά στοιχεία μπορούν να μετατραπούν σε μαγνήτες και μερικά είναι σημαντικά ισχυρότερα από άλλα. Πρέπει να τηρούνται ορισμένες ακριβείς απαιτήσεις για να επιτευχθεί αυτή η κατάσταση.

Τα άτομα έχουν μεγάλη πυκνότητα ηλεκτρονίων που συνδέονται με τρόπο που ακυρώνει το συνολικό μαγνητικό πεδίο. Το σπιν δύο ηλεκτρονίων που συνδέονται με αυτόν τον τρόπο λέγεται ότι είναι αντίθετο. Μπορούμε να συμπεράνουμε από αυτό ότι τα άτομα με ένα ή περισσότερα ασύζευκτα ηλεκτρόνια με το ίδιο σπιν απαιτούνται για να είναι ένα υλικό μαγνητικό. Ο σίδηρος είναι μια ουσία με τέσσερα από αυτά τα ηλεκτρόνια, καθιστώντας τον ιδανικό για τη δημιουργία μαγνητών.

Συμπέρασμα

Δισεκατομμύρια άτομα αποτελούν λίγο από την ουσία. Ανεξάρτητα από το πόσα ασύζευκτα ηλεκτρόνια περιέχει το υλικό, το συνολικό πεδίο ακυρώνεται εάν προσανατολιστούν τυχαία. Σε θερμοκρασία δωματίου, το υλικό πρέπει να είναι αρκετά σταθερό ώστε να επιτρέπει την καθιέρωση ενός γενικού ευνοϊκού προσανατολισμού. Έχουμε έναν μόνιμο μαγνήτη, γνωστό και ως σιδηρομαγνήτη, εάν είναι μόνιμα εγκατεστημένος.

Όταν εκτίθενται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, ορισμένα υλικά έχουν αρκετή τάξη ώστε να γίνουν μαγνητικά. Το εξωτερικό πεδίο ευθυγραμμίζει όλα τα σπιν ηλεκτρονίων, αλλά μόλις αποσυρθεί το εξωτερικό πεδίο, η ευθυγράμμιση εξατμίζεται. Αυτά τα υλικά αναφέρονται ως παραμαγνητικά.