Kas ir magnētiskais lauks — definīcija, īpašības un mērvienības
Uzzini, kas ir magnētiskais lauks — definīcija, īpašības, mērvienības (tesla, gauss), enerģija, lauku vizualizācija un praktiski piemēri saprotamiem skaidrojumiem.
Magnētiskais lauks ir telpas apgabals ap magnētu, elektrisko strāvu vai kustīgiem elektriskajiem lādiņiem, kurā darbojas magnētiskais spēks. To parasti attēlo ar magnētiskās plūsmas līnijām — līnijām, kas rāda lauka virzienu un blīvumu. Magnētiskā lauka virzienu vienmēr norāda magnētiskās indukcijas līniju virziens (virzienu); līnijas veido slēgtus lokus, kas parāda, ka laukam nav izvietotu "magnētisko monopolu" (vēl nav konstatēti brīvi magnētiski vienpolu objekti).
Galvenās īpašības
- Avoti: magnētisko lauku rada pastāvīgas magnēta dipoli, elektriskās strāvas un mainīgie elektriskie lauki (saskaņā ar Maksvela vienādojumiem). To uzsver arī tas, ka magnētiskie lauki ieskauj strāvu plūsmas vados un magnētiskos dipolus.
- Virziens un stiprums: lauka virzienu norāda indukcijas līnijas, bet lauka stiprums atbilst līniju blīvumam — jo tuvāk līnijas viena otrai, jo spēcīgāks lauks.
- Linearitāte un superpozīcija: lauki no vairākiem avotiem summējas (superpozīcija), ja materiāls uzvedas lineāri; magnētiskos materiālos var būt nelineāras attiecības starp lauka komponentēm.
- Maksvela likumi: magnētiskā lauka lauka operatores izsaka kā ∇·B = 0 (nav izolētu magnētisko lādiņu) un ∇×B = μ0(J + ε0 ∂E/∂t) (Ampēra–Maksvela likums), kur J ir strāvas blīvums un ∂E/∂t — elektriskā lauka laika atvasinājums.
- Spēki uz lādiņiem un dipoliem: kustīgus lādiņus lauks ietekmē ar Lorenca spēku: F = q (v × B). Strāvu pārnēsājošam vadam lauka spēks ir F = I (L × B). Magnētiskie dipoli piedzīvo griezes momentu τ = m × B un potenciālo enerģiju U = −m·B.
- Enerģija: magnētiskajam laukam ir sava enerģija; vakuumā enerģijas blīvums u = B^2/(2μ0) (tātad proporcionāls lauka intensitātes kvadrātam).
Mērvienības un atskaites
Magnētisko lauku SI sistēmā parasti apzīmē ar B (magnētiskā indukcija vai magnētiskā plūsmas blīvums) un mēra teslos (teslu, skat. arī SI vienības). Agrāk un CGS sistēmā izmantoja gausus (1 tesla = 10 000 gausu). Attiecības starp B un magnētiskā lauka stiprību H izsaka kā B = μ H, kur μ ir materiāla caurlaidība (μ = μ0 μr vakuumā × relatīvā caurlaidība μr).
Kā rodas magnētiskais lauks
Magnētiskos laukus rada:
- pastāvīgi magnēti un to iekšējie magnētiskie dipoli (saistīti ar elektronspin un orbītālajiem momentiem); skat. magnēts un magnētisms;
- elektriskās strāvas vadītājos (ampēra likums);
- kustīgi elektriskie lādiņi kopumā (elektronu kustība materiālos);
- mainīgi elektriskie lauki — elektromagnētiskās pārmaiņas nodrošina lauka rašanos un izplatīšanos (elektromagnētisms, sk. elektromagnētisms).
Materiālu ietekme un magnētiskais raksturojums
Dažādi materiāli reaģē uz magnētisko lauku atšķirīgi. Galvenās kategorijas ir diamagnētiskie, paramagnētiskie un feromagnētiskie materiāli. Par šo klasi un īpašībām skat. arī diamagnētisms un citu magnētismu aprakstu. Materiālu uzvedību raksturo magnētiskā susceptibilitāte un relatīvā caurlaidība (μr).
Praktiski piemēri un izmantošana
- Zemes magnētiskais lauks — kompasu darbības pamats; Zemes lauka tipiskā stipruma vērtība ir aptuveni 25–65 μT (mikroteslas).
- Neodīmija magnēti — spēcīgi pastāvīgie magnēti ar virsmas laukiem dažreiz aptuveni 0.5–1.4 T.
- Ledusskapja magnēti un mazsadzīves ierīces — parasti miltilieluma magnētiskie lauki (mT līmenis).
- Medicīniska diagnostika — magnētiskās rezonanses ierīces (MRI) izmanto ļoti stiprus lauku ap 1.5–3 T vai vairāk.
- Elektrotehnika — elektromotori, ģeneratori, transformatori un releji izmanto magnētiskos laukus darbībai un enerģijas pārnešanai.
Mērīšana un instrumenti
Magnētisko lauku mēra ar dažādiem sensoriem: Hall efekta devēji (Hall sensors), fluxgate magnetometri, SQUID (extra jutīgi supervadītāju kvantu ierīces) un optiski metodi balstīti sensori. Šie instrumenti ļauj noteikt gan B lauka intensitāti, gan virzienu.
Fizikā magnētiskais lauks tiek definēts kā lauks, kas pārvieto elektriskos lādiņus un magnētiskos dipolus, un tas ir neatņemama elektromagnētiskā lauka sastāvdaļa kopā ar elektrisko lauku. Lai gan elektromagnētisma pamatlikumus veido vairāki zinātnieki, par vienu no svarīgākajiem pamatlicējiem tiek uzskatīts Maikls Faradejs.
Magnētisko lauku noteikšana, aprēķini un pielietojumi aptver plašu zinātnes un tehnoloģijas jomu — no fundamentālajām teorijām (Maksvela vienādojumi) līdz praktiskām ierīcēm ikdienā.
H lauks
Fiziķi var teikt, ka spēku un griezes momentu starp diviem magnētiem rada magnētiskie poli, kas viens otru atgrūž vai piesaista. Tas ir tāpat kā Kulona spēks, kas atgrūž vienādus elektriskos lādiņus vai piesaista pretējus elektriskos lādiņus. Šajā modelī magnētisko H lauku rada magnētiskie lādiņi, kas ir "izkaisīti" ap katru polu. Tātad H lauks ir kā elektriskais lauks E, kas sākas pie pozitīva elektriskā lādiņa un beidzas pie negatīva elektriskā lādiņa. Ziemeļu pola tuvumā visas H lauka līnijas ir vērstas prom no ziemeļu poliem (gan magnēta iekšpusē, gan ārpus tā), bet dienvidu polu tuvumā (gan magnēta iekšpusē, gan ārpus tā) visas H lauka līnijas ir vērstas uz dienvidu polu. Tātad ziemeļu pols izjūt spēku H lauka virzienā, bet dienvidu pols ir pretējs spēks H laukam.
Magnētisko polu modelī elementāro magnētisko dipolu m veido divi pretēji magnētiskie poli ar polu stiprumu qm, kurus šķir ļoti mazs attālums d, tātad m = qm d.
Diemžēl magnētiskie poli nevar pastāvēt atsevišķi viens no otra. Visiem magnētiem ir ziemeļu/ dienvidu pāri, kurus nevar atdalīt, neradot divus magnētus, kuriem katram ir ziemeļu/ dienvidu pāris. Turklāt magnētiskie polis neatspoguļo ne magnētismu, ko rada elektriskās strāvas, ne arī spēku, ko magnētiskais lauks pieliek kustīgiem elektriskajiem lādiņiem.
Magnētiskā pola modelis : divi pretēji polis, ziemeļu (+) un dienvidu (-), kurus šķir attālums d, rada H lauku (līnijas).
H lauks un magnētiskie materiāli
H lauku definē šādi:
H ≡ B μ 0 - M , {\displaystyle \mathbf {H} \\equiv \ {\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}-\mathbf {M} ,} 
(H definīcija SI vienībās)
Izmantojot šo definīciju, Ampera likums kļūst:
∮ H ⋅ d ℓ = ∮ ( B μ 0 - M ) ⋅ d ℓ = I t o t - I b = I f {\displaystyle \oint \mathbf {H} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}}=\oint \left({\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}}-\mathbf {M} \right)\cdot d{\boldsymbol {\ell }}=I_{\mathrm {tot} }-I_{{\mathrm {b} }=I_{{\mathrm {f} }} 
kur If ir "brīvā strāva", ko ietver cilpa, lai H lineārais integrāls vispār nebūtu atkarīgs no saistītajām strāvām. Šā vienādojuma diferenciālo ekvivalentu skatīt Maksvela vienādojumos. Ampera likums noved pie robežnosacījuma:
H 1 , ∥ - H 2 , ∥ = K f , {\displaystyle H_{1,\paralēlais }-H_{2,\paralēlais }=\mathbf {K} _{\text{f}},} 
kur Kf ir virsmas brīvās strāvas blīvums.
Līdzīgi arī virsmas integrālis no H uz jebkuras slēgtas virsmas ir neatkarīgs no brīvajām strāvām, un tajā tiek atlasīti "magnētiskie lādiņi" šajā slēgtajā virsmā:
∮ S μ 0 H ⋅ d A = ∮ S ( B - μ 0 M ) ⋅ d A = ( 0 - ( - q M ) ) = q M , {\displaystyle \oint _{S}\mu _{0}\mathbf {H} \cdot \mathrm {d} \mathbf {A} =\oint _{S}(\mathbf {B} -\mu _{0}\mathbf {M} )\cdot \mathrm {d} \mathbf {A} =(0-(-q_{M}))=q_{M},} 
kas nav atkarīgs no brīvajām strāvām.
Tāpēc H lauku var sadalīt divās neatkarīgās daļās:
H = H 0 + H d , {\displaystyle \mathbf {H} =\mathbf {H} _{0}+\mathbf {H} _{d},\,} 
kur H0 ir magnētiskais lauks, ko rada tikai brīvās strāvas, un Hd ir demagnetizējošais lauks, ko rada tikai saistītās strāvas.
Tāpēc magnētiskais H lauks pārveido saistīto strāvu "magnētisko lādiņu" izteiksmē. H lauka līnijas apmetas tikai ap "brīvo strāvu" un atšķirībā no magnētiskā B lauka sākas un beidzas arī pie magnētiskajiem poliem.
Saistītās lapas
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir magnētiskais lauks?
A: Magnētiskais lauks ir apgabals ap magnētu, kurā darbojas magnētiskais spēks, ko izraisa kustīgu elektrisko lādiņu darbība.
J: Kā var noteikt magnēta stiprumu?
A: Magnēta stiprumu var noteikt, aplūkojot attālumu starp magnētiskajām līnijām - jo tuvāk viena otrai, jo spēcīgāks ir magnēts.
J: Kas notiek, kad daļiņas saskaras ar magnētisko lauku?
A: Kad daļiņas pieskaras magnētiskajam laukam, tās saņem no tā spēku.
J: Ko nozīmē, ka kaut kam ir sava enerģija un impulss?
Atbilde: Savas enerģijas un impulsa esamība nozīmē, ka kaut kam piemīt savas īpašības, kas ļauj tam kustēties vai darboties neatkarīgi no citiem objektiem vai spēkiem.
J: Kā izmērīt magnētiskā lauka stiprumu?
A: Magnētiskā lauka intensitāti mēra teslaksos (SI mērvienībās) vai gausos (Cgs mērvienībās).
J: Kas noteica elektromagnētisma likumu?
A: Maikls Faradejs izveidoja elektromagnētisma likumu.
J: Kas notiek, ja dzelzs pārslas novieto pie magnēta?
A: Kad dzelzs pārslas novieto magnēta tuvumā, tās pārvietojas un sakārtojas plūsmas līnijās, kas norāda magnētiskā lauka virzienu un stiprumu.
Meklēt