NộI Dung
- Khoa học từ trường
- Làm thế nào để bạn xác định từ trường?
- Các loại nam châm
- Lực từ
- Từ trường và điện trường
- Sản phẩm chéo từ trường
- Từ trường trong cuộc sống hàng ngày
Từ trường mô tả cách lực từ được phân phối trong không gian xung quanh các vật thể. Nói chung, đối với một vật thể có từ tính, các đường sức từ đi từ cực bắc đến cực nam, giống như chúng làm với từ trường Trái đất, như trong sơ đồ trên.
Lực từ tương tự làm cho các vật thể dính vào bề mặt tủ lạnh được sử dụng trong từ trường Trái đất để bảo vệ tầng ozone khỏi gió mặt trời có hại. Từ trường tạo thành các gói năng lượng ngăn chặn tầng ozone mất carbon dioxide.
Bạn có thể quan sát điều này bằng cách đổ vật liệu sắt, những miếng sắt nhỏ giống như bột, với sự có mặt của từ tính. Đặt một nam châm dưới một mảnh giấy hoặc tấm vải sáng. Đổ các tập hồ sơ sắt và quan sát các hình dạng và hình thành mà chúng có. Xác định những dòng trường nào sẽ phải có để làm cho các bản ghi sắp xếp và phân phối chính chúng như thế này theo vật lý từ trường.
Mật độ của các đường sức từ được vẽ từ bắc xuống nam càng lớn thì cường độ của từ trường càng lớn. Các cực bắc và nam này cũng cho biết liệu các vật thể từ tính có hấp dẫn (giữa các cực bắc và nam) hay lực đẩy (giữa các cực giống hệt nhau). Từ trường được đo bằng đơn vị Tesla, T.
Khoa học từ trường
Bởi vì từ trường hình thành bất cứ khi nào điện tích chuyển động, từ trường được tạo ra từ dòng điện qua dây dẫn. Trường cung cấp cho bạn một cách mô tả cường độ và hướng tiềm năng của một lực từ tùy thuộc vào dòng điện thông qua một dây điện và khoảng cách mà dòng điện đi qua. Đường sức từ tạo thành các vòng tròn đồng tâm xung quanh dây dẫn. Hướng của các trường này có thể được xác định thông qua "quy tắc bàn tay phải".
Quy tắc này cho bạn biết rằng, nếu bạn đặt ngón tay cái bên phải theo hướng dòng điện qua một sợi dây, thì từ trường thu được sẽ theo hướng ngón tay của bạn cong như thế nào. Với dòng điện lớn hơn, từ trường lớn hơn được cảm ứng.
Làm thế nào để bạn xác định từ trường?
Bạn có thể sử dụng các ví dụ khác nhau của quy tắc bàn tay phải, một quy tắc chung để xác định hướng của các đại lượng khác nhau liên quan đến từ trường, lực từ và dòng điện. Quy tắc này là hữu ích cho nhiều trường hợp trong điện và từ tính được quy định bởi toán học của các đại lượng.
••• Syed Hussain AtherQuy tắc bàn tay phải này cũng có thể được áp dụng theo hướng khác cho từ tính điện từhoặc một loạt dòng điện quấn trong dây điện quanh nam châm. Nếu bạn chỉ ngón cái tay phải của bạn theo hướng của từ trường, thì ngón tay phải của bạn sẽ quấn tròn theo hướng của dòng điện. Solenoids cho phép bạn khai thác sức mạnh của từ trường thông qua dòng điện.
Khi một điện tích di chuyển, từ trường tạo ra khi các electron quay và di chuyển xung quanh trở thành vật thể từ tính. Các nguyên tố có các electron chưa ghép cặp ở trạng thái cơ bản như sắt, coban và niken có thể được căn chỉnh sao cho chúng tạo thành nam châm vĩnh cửu. Từ trường được tạo ra bởi các electron của các nguyên tố này cho phép dòng điện chạy qua các nguyên tố này dễ dàng hơn. Bản thân từ trường cũng có thể triệt tiêu lẫn nhau nếu chúng có độ lớn bằng nhau theo hai hướng ngược nhau.
Dòng điện chạy qua pin Tôi phát ra từ trường B tại bán kính r theo phương trình cho Luật pháp: B = 2πr0 Tôi Ở đâu μ0 là hằng số từ tính của tính thấm chân không, 1,26 x 10-6 H / m ("Henries trên mét" trong đó Henries là đơn vị tự cảm). Tăng dòng điện và đến gần dây hơn, cả hai đều tăng từ trường.
Các loại nam châm
Để một vật thể có từ tính, các electron tạo nên vật thể phải có khả năng tự do di chuyển xung quanh và giữa các nguyên tử trong vật thể. Để một vật liệu có từ tính, các nguyên tử có các electron chưa ghép cặp của cùng một spin là ứng cử viên lý tưởng vì các nguyên tử này có thể ghép với nhau để cho phép các electron tự do lưu chuyển. Kiểm tra vật liệu với sự có mặt của từ trường và kiểm tra tính chất từ của các nguyên tử tạo ra các vật liệu này có thể cho bạn biết về từ tính của chúng.
Ferromagnets có tài sản này mà họ là từ tính vĩnh viễn. Thông số, ngược lại, sẽ không hiển thị các thuộc tính từ trừ khi có sự hiện diện của từ trường để sắp xếp các spin của các electron lên để chúng có thể di chuyển tự do. Diamagnets có thành phần nguyên tử sao cho chúng không bị ảnh hưởng bởi từ trường hoặc chỉ bị ảnh hưởng rất ít bởi từ trường. Chúng không có hoặc có một vài electron chưa ghép cặp để cho các điện tích chảy qua.
Paramagnets hoạt động vì chúng được làm bằng vật liệu luôn có khoảnh khắc từ tính, được gọi là lưỡng cực. Những khoảnh khắc này là khả năng của chúng để liên kết với một từ trường bên ngoài do sự quay tròn của các electron chưa ghép cặp trong quỹ đạo của các nguyên tử tạo ra các vật liệu này. Với sự có mặt của từ trường, các vật liệu sẽ thẳng hàng để chống lại lực của từ trường. Các yếu tố tham số bao gồm magiê, molypden, lithium và tantalum.
Trong một vật liệu sắt từ, lưỡng cực của các nguyên tử là vĩnh viễn, thường là kết quả của vật liệu thuận từ làm nóng và làm mát. Điều này làm cho chúng trở thành ứng cử viên lý tưởng cho nam châm điện, động cơ, máy phát điện và máy biến thế để sử dụng trong các thiết bị điện. Ngược lại, Diamagnets có thể tạo ra một lực cho phép các electron di chuyển tự do dưới dạng dòng điện, sau đó, tạo ra một từ trường đối diện với bất kỳ từ trường nào được áp dụng cho chúng. Điều này hủy bỏ từ trường và ngăn chúng trở thành từ tính.
Lực từ
Từ trường xác định làm thế nào lực từ có thể được phân phối trong sự hiện diện của vật liệu từ tính. Trong khi các điện trường mô tả lực điện với sự có mặt của một điện tử, thì từ trường không có hạt tương tự như vậy để mô tả lực từ. Các nhà khoa học đã đưa ra giả thuyết rằng một đơn cực từ có thể tồn tại, nhưng chưa có bằng chứng thực nghiệm cho thấy những hạt này tồn tại. Nếu chúng tồn tại, những hạt này sẽ có "điện tích" giống như cách các hạt tích điện có điện tích.
Kết quả lực từ do lực điện từ, lực mô tả cả thành phần điện và từ của các hạt và vật thể. Điều này cho thấy từ tính nội tại đối với các hiện tượng tương tự của điện như dòng điện và điện trường. Điện tích của một electron là nguyên nhân khiến từ trường làm lệch hướng nó thông qua lực từ giống như cách mà điện trường và lực điện làm.
Từ trường và điện trường
Mặc dù chỉ các hạt tích điện chuyển động phát ra từ trường và tất cả các hạt tích điện phát ra từ điện trường, từ trường và điện từ là một phần của cùng một lực cơ bản của điện từ. Lực điện từ tác dụng giữa tất cả các hạt tích điện trong vũ trụ. Lực điện từ có dạng các hiện tượng hàng ngày trong điện và từ tính như tĩnh điện và các liên kết tích điện giữ các phân tử lại với nhau.
Lực này cùng với các phản ứng hóa học cũng tạo thành cơ sở cho lực điện động cho phép dòng điện chạy qua các mạch. Khi một từ trường được xem đan xen với một trường điện, sản phẩm tạo ra được gọi là trường điện từ.
Các Phương trình lực Lorentz F = qE + qv × B mô tả lực tác dụng lên hạt tích điện q di chuyển với vận tốc v với sự có mặt của điện trường E và từ trường B. Trong phương trình này, x giữa qv và B đại diện cho sản phẩm chéo. Nhiệm kỳ đầu tiên qE là sự đóng góp của điện trường cho lực lượng, và nhiệm kỳ thứ hai qv x B là sự đóng góp của từ trường.
Phương trình Lorentz cũng cho bạn biết rằng lực từ giữa vận tốc của điện tích v và từ trường B Là qvbsinϕ tính phí q Ở đâu ϕ ("phi") là góc giữa v và B, phải nhỏ hơn 1_80_ độ. Nếu góc giữa v và B là lớn hơn, sau đó bạn nên sử dụng góc theo hướng ngược lại để khắc phục điều này (từ định nghĩa của một sản phẩm chéo). Nếu _ϕ_is 0, như trong, vận tốc và điểm từ trường cùng hướng, lực từ sẽ bằng 0. Hạt sẽ tiếp tục di chuyển mà không bị từ trường làm lệch hướng.
Sản phẩm chéo từ trường
••• Syed Hussain AtherTrong sơ đồ trên, sản phẩm chéo giữa hai vectơ một và b Là c. Lưu ý hướng và độ lớn của c. Nó theo hướng vuông góc với một và b khi được đưa ra bởi quy tắc bàn tay phải. Quy tắc bàn tay phải có nghĩa là hướng của sản phẩm chéo kết quả c được đưa ra bởi hướng ngón tay cái của bạn khi ngón trỏ phải của bạn theo hướng b và ngón giữa bên phải của bạn theo hướng một.
Sản phẩm chéo là một hoạt động vectơ dẫn đến vectơ vuông góc với cả hai qv và B được cho bởi quy tắc bàn tay phải của ba vectơ và với độ lớn diện tích của hình bình hành mà vectơ qv và B nhịp. Quy tắc bàn tay phải có nghĩa là bạn có thể xác định hướng của sản phẩm chéo giữa qv và B bằng cách đặt ngón tay trỏ phải của bạn theo hướng B, ngón giữa của bạn theo hướng qvvà hướng kết quả của ngón tay cái của bạn sẽ là hướng sản phẩm chéo của hai vectơ này.
Trong sơ đồ trên, quy tắc bàn tay phải cũng thể hiện mối quan hệ giữa từ trường, lực từ và dòng điện qua một sợi dây. Điều này cũng cho thấy sản phẩm chéo giữa ba đại lượng này có thể biểu thị quy tắc bàn tay phải là sản phẩm chéo giữa hướng của lực và trường bằng với hướng của dòng điện.
Từ trường trong cuộc sống hàng ngày
Từ trường khoảng 0,2 đến 0,3 tesla được sử dụng trong MRI, chụp cộng hưởng từ. MRI là phương pháp mà các bác sĩ sử dụng để nghiên cứu các cấu trúc bên trong cơ thể bệnh nhân như não, khớp và cơ bắp. Điều này thường được thực hiện bằng cách đặt bệnh nhân trong một từ trường mạnh sao cho trường chạy dọc theo trục của cơ thể. Nếu bạn tưởng tượng bệnh nhân là một từ tính, dòng điện sẽ quấn quanh cơ thể của họ và từ trường sẽ được định hướng theo phương thẳng đứng đối với cơ thể, như được quy định bởi quy tắc bàn tay phải.
Các nhà khoa học và bác sĩ sau đó nghiên cứu cách các proton đi chệch khỏi sự liên kết bình thường của chúng để nghiên cứu các cấu trúc trong cơ thể bệnh nhân. Thông qua đó, các bác sĩ có thể chẩn đoán an toàn, không xâm lấn các tình trạng khác nhau.
Người đó không cảm nhận được từ trường trong suốt quá trình, nhưng, vì trong cơ thể con người có quá nhiều nước, các hạt nhân hydro (là các proton) tự sắp xếp do từ trường.Máy quét MRI sử dụng từ trường mà các proton hấp thụ năng lượng từ đó và khi tắt từ trường, các proton trở lại vị trí bình thường. Sau đó, thiết bị sẽ theo dõi sự thay đổi vị trí này để xác định cách các proton được căn chỉnh và tạo ra hình ảnh bên trong cơ thể bệnh nhân.