Un campo magnético es un campo físico invisible generado por cargas eléctricas en movimiento, materiales magnéticos o campos eléctricos cambiantes, que pueden ejercer una fuerza sobre materiales magnéticos o cargas eléctricas en movimiento. Es un campo vectorial con magnitud y dirección, y a menudo se mide en términos de inducción magnética. El campo magnético alrededor de un imán atrae archivos de hierro, mientras que el campo magnético alrededor de un cable que transporta corriente puede desviar una aguja de brújula. El campo magnético está relacionado con el campo eléctrico, y un campo eléctrico cambiante puede generar un campo magnético (ecuaciones de Maxwell) y viceversa, que es una de las bases centrales de los fenómenos electromagnéticos.
Origen del campo magnético
El campo magnético es un fenómeno físico causado por el movimiento de las cargas eléctricas o un campo eléctrico que cambia con el tiempo. El origen del campo magnético siempre ha sido un tema importante de investigación para los científicos. Está relacionado con nuestra comprensión del mundo físico y puede entenderse a nivel microscópico y macroscópico.
Nivel micro
Los campos magnéticos se originan en el movimiento de partículas cargadas y propiedades mecánicas cuánticas a nivel microscópico. La electrodinámica cuántica muestra que el giro de partículas cargadas genera momentos magnéticos microscópicos. Cuando estos momentos magnéticos se ordenan en un material, el material exhibe magnetismo macroscópico. Además, el movimiento direccional de los electrones libres en un conductor genera un campo magnético que rodea de acuerdo con la ley biots-salvar. En un nivel más profundo, el campo magnético es parte del campo electromagnético y, junto con el campo eléctrico, forma una descripción tensor del campo electromagnético.
Nivel macro
Un campo magnético es un campo vectorial con dirección y magnitud, y su distribución se puede describir mediante líneas de flujo magnético. El campo magnético de la Tierra es un campo magnético macroscópico típico, que se origina en la convección de la aleación líquida de hierro-níquel en el núcleo de la Tierra. En astrofísica, los campos magnéticos complejos se forman por la separación y rotación de las cargas de plasma. En ingeniería, se pueden construir campos magnéticos específicos organizando bobinas solenoides o imanes permanentes. Todos estos campos magnéticos macroscópicos siguen las leyes electromagnéticas clásicas de las ecuaciones de Maxwell.
¿Qué es un campo magnético?
Hay una fuerza invisible pero real escondida en el mundo que nos rodea, puede mantener una brújula apuntando al norte, hacer que un motor eléctrico gire rápido e incluso proteja la vida en la Tierra de la radiación cósmica. Este poder mágico proviene del campo magnético.
Definición de campo magnético
Un campo magnético es un campo físico especial que existe alrededor de un imán o se genera cuando una corriente eléctrica pasa a través de un conductor. Puede ejercer una fuerza sobre otros imanes o en movimiento de cargas eléctricas.
Propiedades básicas de los campos magnéticos
1. Fuerte efecto sobre imanes y corrientes eléctricas
La característica más notable de un campo magnético es que puede ejercer una fuerza. Dos imanes se atraerán o se repelerán cuando estén juntas, la fuerza de amperios en un campo magnético actuará en un campo magnético, y los motores y generadores eléctricos trabajan en este principio.
2. Directividad deMagnéticoFliofilido
Los campos magnéticos son direccionales y generalmente se describen mediante líneas de flujo magnético. La dirección tangente de las líneas de flujo magnético indica la dirección del campo magnético en ese punto, mientras que la densidad de las líneas de flujo magnético refleja la resistencia del campo magnético. Las líneas de flujo magnético de un imán de barra comienzan desde el polo N y regresan al polo S.
3. Superposición deMagnéticoFfrases
Si hay múltiples fuentes de campo magnético en el espacio, los campos magnéticos que generan se superponer entre sí para formar un campo magnético combinado. Esta propiedad nos permite calcular la distribución del campo magnético de sistemas electromagnéticos complejos.
¿Cómo se generan los campos magnéticos?
La generación del campo magnético es un fenómeno importante en la física, que está estrechamente relacionada con el movimiento de las cargas eléctricas. El origen del campo magnético se remonta al movimiento de las cargas eléctricas. Ya sea el movimiento de partículas microscópicas o el flujo de corriente macroscópica, puede estimular un campo magnético.
La corriente eléctrica genera campo magnético
Magnético campo de una corriente lineal: Se genera un campo magnético alrededor de un conductor de transporte de corriente. Su dirección sigue la regla de tornillo de la mano derecha. Las líneas de fuerza magnéticas son círculos concéntricos. Cuanto más cerca del conductor, más fuerte es el campo magnético. La fórmula de intensidad es B =2 πrμ 0 i.
Un magnéticoCampo de corriente circular: Similar a unimán de barra, el campo magnético del eje central está a lo largo de la dirección del eje, y la intensidad se puede resolver integrando la ley biotada-salvación, que a menudo se usa para el enfoque del haz de electrones.
Campo magnético de la corriente solenoide: Cuando el solenoide se energiza, el campo magnético interno es fuerte y uniforme, y la dirección está a lo largo del eje. La fórmula de fuerza es B {{0}} μ0ni. Se usa ampliamente en electromagnets y otros equipos para atraer materiales ferromagnéticos para controlar los dispositivos mecánicos.
Los materiales magnéticos generan campos magnéticos
NaturalmagnéticomAteriales:La Tierra es un gran imán, y su campo magnético es generado principalmente por la corriente del núcleo externo líquido, que juega un papel importante en la migración biológica y la protección contra los rayos cósmicos. La magnetita es un material magnético natural con un fenómeno de magnetización espontánea, que se utilizó para la navegación de la brújula en la antigüedad.
ArtificialmagnéticomAteriales: Imanes permanentes comoimanes de boro de hierro neodimio, que están hechos por sinterización de alta temperatura y otros procesos para alinear los momentos magnéticos y generar un campo magnético estable.
Cambiar los campos eléctricos generan campos magnéticos
Maxwell-Faraday'slAW:El cambio del flujo magnético en un circuito cerrado genera una fuerza y corriente electromotriz inducidas. El transformador utiliza la corriente alterna de la bobina primaria para generar un campo magnético cambiante, y la bobina secundaria induce la fuerza electromotriz y la corriente para lograr la conversión de voltaje.
Propagación deeselectromagnéticowAves: Las ondas electromagnéticas se propagan en el espacio mediante la interacción de campos eléctricos y magnéticos que varían en el tiempo, y se propagan en el vacío a la velocidad de la luz. Las ondas de radio son generadas por la corriente que cambia rápidamente en la antena transmitida, formando cambiando los campos eléctricos y magnéticos, que interactúan y se propagan a lugares distantes.
¿Cómo medimos los campos magnéticos?
Hay muchas formas de medir los campos magnéticos. Las siguientes son técnicas de medición de campo magnético común.
Usando un magnetómetro
Un magnetómetro es un instrumento utilizado específicamente para medir la intensidad del campo magnético. Detecta el efecto del campo magnético en los portadores de carga en un conductor o semiconductor de transporte de corriente, genera un voltaje de salón proporcional a la intensidad del campo magnético y, por lo tanto, calcula la intensidad del campo magnético. El instrumento es simple de operar y tiene una alta precisión de medición.
Usando un medidor de flujo
El FluxMeter se basa en la ley de inducción electromagnética de Faraday. Mide indirectamente el flujo magnético detectando la fuerza electromotriz inducida de la bobina, y luego determina la distribución del campo magnético. A menudo se usa para medir la uniformidad del campo magnético, detectar la distribución del campo magnético y estudiar las características de los materiales magnéticos.
ElectrónBeamDeflecciónMEthod (Suable paraSpecadoEnvirónSUCH comoLaboratorios)
La desviación del haz de electrones es un método de medición de campo magnético de alta precisión en el laboratorio. Su principio es usar la fuerza Lorentz del campo magnético en los electrones para desviar el haz de electrones. La intensidad del campo magnético se calcula midiendo el ángulo de deflexión y los parámetros conocidos, como la velocidad de electrones.
QuéSon¿Los factores que afectan el campo magnético?
Los factores que afectan el campo magnético incluyen principalmente lo siguiente:
Factor actual
La magnitud de la corriente es proporcional a la resistencia del campo magnético. Cuando aumenta la corriente en el solenoide, el campo magnético y la capacidad de adsorción aumentan. Cuando cambia la dirección actual, la dirección del campo magnético también cambia, lo que puede cambiar la dirección de los polos magnéticos del electromagnet. La ruta actual afecta la distribución del campo magnético. La corriente recta produce campos magnéticos concéntricos, y la corriente circular produce un campo magnético a lo largo del eje del eje. Su fuerza está relacionada con la corriente y el radio.
Materiales magnéticos
El tipo, la forma y el grado de magnetización de los materiales magnéticos afectarán sus características del campo magnético. Los materiales magnéticos suaves son fáciles de magnetizar y desmagnetizar, y a menudo se usan en transformadores; Los materiales magnéticos duros tienen una alta coercitividad y son difíciles de desmagnetizar, y se usan principalmente en imanes permanentes. La forma del material también afectará la distribución del campo magnético. El campo magnético de un imán de barra se concentra en ambos extremos, mientras que el campo magnético de un imán de anillo se distribuye por dentro y por fuera. Cuanto mayor sea el grado de magnetización, mayor es la resistencia del campo magnético. La intensidad del campo magnético se puede ajustar cambiando el número de vueltas y la corriente de la bobina de electromagnet para satisfacer las diferentes necesidades.
Factores externos
El aumento de la temperatura debilitará el material magnético, y los imanes permanentes perderán el magnetismo a altas temperaturas. Los campos magnéticos externos interferirán con el campo magnético original, aumentándolo en la misma dirección y disminuyendo en la dirección opuesta. La tecnología de blindaje electromagnético utiliza este principio. El estrés mecánico también puede cambiar las características del campo magnético de los materiales magnéticos.
¿Cómo vemos fuerzas en los campos magnéticos?
El campo magnético es un fenómeno físico invisible que existe alrededor de imanes y conductores que transportan electricidad. Aunque no podemos ver el campo magnético directamente con nuestros ojos desnudos, a través de algunos métodos experimentales inteligentes, podemos "ver" indirectamente las fuerzas en el campo magnético y explorar sus leyes.
Usando un imán y archivos de hierro (visualización de líneas de campo magnético)
Las líneas de campo magnético son una herramienta para describir la distribución de campos magnéticos y pueden mostrar intuitivamente la dirección y la resistencia del campo magnético. Cuando las archivos de hierro se dispersan alrededor de un imán de barra, se dispusirán a lo largo de las líneas de campo magnético, apuntando desde el polo N al polo S en el exterior y desde el polo S de vuelta al polo N en el interior, formando un circuito cerrado. Las archivos de hierro son densas cerca de los polos magnéticos, y el campo magnético es fuerte, mientras que las archivos de hierro son escasas en el área media, y el campo magnético es débil. Este fenómeno demuestra vívidamente la ley de distribución del campo magnético.
Observar la interacción entre imanes
La fuerza entre los imanes se manifiesta como los postes que se repelen entre sí y, a diferencia de los polos que se atraen entre sí, y la magnitud de la fuerza aumenta a medida que disminuye la distancia. A través del dinamómetro de primavera, se puede observar que la lectura aumenta cuando los polos, como los polos están muy juntos, y la lectura disminuye cuando a diferencia de los polos están muy juntos. La fuerza de campo magnético es un vector, y su dirección está a lo largo de la línea que conecta los polos. La magnitud depende de la resistencia del magnetismo y la distancia.
Usar el movimiento de la corriente eléctrica en un campo magnético
Cuando una corriente eléctrica está en un campo magnético, la fuerza de amperios actúa sobre la fuerza, que es perpendicular a la dirección de la corriente y el campo magnético y puede ser determinado por la regla de la mano derecha. La magnitud de la fuerza de amperios es proporcional a la corriente, la resistencia del campo magnético y la longitud del cable. Usando este principio, se pueden fabricar dispositivos como motores para convertir la energía eléctrica en energía mecánica.
Aplicaciones prácticas de campos magnéticos
En la industria de la energía eléctrica:Los generadores y los transformadores utilizan el principio de inducción electromagnética para lograr la conversión mutua de energía eléctrica y energía mecánica.
MédicofIeld:La resonancia magnética (MRI) utiliza campos magnéticos fuertes para obtener imágenes de alta definición del interior del cuerpo humano, lo que lo convierte en una herramienta importante para el diagnóstico de la enfermedad.
EntErms detransportación:Los trenes Maglev confían en la fuerza repulsiva generada por el campo magnético para lograr una operación de alta velocidad sin contacto, reduciendo en gran medida las pérdidas por fricción.
Resumir
Como una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, el campo magnético juega un papel importante desde las partículas microscópicas hasta la escala cósmica. Comprender los campos magnéticos no solo nos ayuda a dominar los principios de la ciencia y la tecnología modernas, sino que también nos ayuda a comprender mejor el mundo físico en el que vivimos. Con el desarrollo de la ciencia de los materiales y la tecnología cuántica, las perspectivas de aplicaciones de los campos magnéticos en energía, medicina, tecnología de la información y otros campos serán más amplios.