المجال المغناطيسي هو مجال مادي غير مرئي تم إنشاؤه عن طريق نقل الشحنات الكهربائية أو المواد المغناطيسية أو تغيير الحقول الكهربائية ، والتي يمكن أن تمارس قوة على المواد المغناطيسية أو تحريك الشحنات الكهربائية. إنه حقل متجه ذو حجم واتجاه ، وغالبًا ما يتم قياسه من حيث الحث المغناطيسي. يجذب المجال المغناطيسي حول المغناطيس ملفات الحديد ، في حين أن المجال المغناطيسي حول سلك يحمل التيار يمكن أن ينحرف عن إبرة البوصلة. يرتبط المجال المغناطيسي بالحقل الكهربائي ، ويمكن للحقل الكهربائي المتغير أن يولد مجالًا مغناطيسيًا (معادلات ماكسويل) والعكس بالعكس ، وهو أحد الأسس الأساسية للظواهر الكهرومغناطيسية.
أصل المجال المغناطيسي
المجال المغناطيسي هو ظاهرة مادية ناتجة عن حركة الشحنات الكهربائية أو مجال كهربائي يتغير بمرور الوقت. كان أصل المجال المغناطيسي دائمًا موضوعًا مهمًا للبحث للعلماء. إنه مرتبط بفهمنا للعالم المادي ويمكن فهمه على كل من المستويات المجهرية والكهولي.
المستوى الجزئي
تنشأ الحقول المغناطيسية من حركة الجزيئات المشحونة والخصائص الميكانيكية الكمومية على المستوى المجهري. يظهر الديناميكا الكهربائية الكمومية أن تدور الجسيمات المشحونة يولد لحظات مغناطيسية مجهرية. عندما يتم طلب هذه اللحظات المغناطيسية في مادة ، تعرض المادة المغناطيسية العيانية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الحركة الاتجاهية للإلكترونات الحرة في موصل تولد مجالًا مغناطيسيًا محيطًا وفقًا لقانون Biot-Savart. على مستوى أعمق ، يعد المجال المغناطيسي جزءًا من المجال الكهرومغناطيسي ، وبين الحقل الكهربائي ، يشكل وصفًا للموتر للحقل الكهرومغناطيسي.
مستوى الماكرو
المجال المغناطيسي هو حقل متجه مع الاتجاه والحجم ، ويمكن وصف توزيعه بخطوط التدفق المغناطيسي. المجال المغناطيسي للأرض هو مجال مغناطيسي نموذجي ، ينشأ من حمل الحراري لسبائك الحديد السائل في قلب الأرض. في الفيزياء الفلكية ، تتشكل الحقول المغناطيسية المعقدة عن طريق فصل وتناوب رسوم البلازما. في الهندسة ، يمكن بناء حقول مغناطيسية محددة عن طريق ترتيب ملفات الملف اللولبي أو المغناطيس الدائم. تتبع هذه الحقول المغناطيسية العيانية القوانين الكهرومغناطيسية الكلاسيكية لمعادلات ماكسويل.
ما هو المجال المغناطيسي؟
هناك قوة غير مرئية ولكنها حقيقية مخبأة في العالم من حولنا -يمكن أن تبقي بوصلة تشير إلى الشمال ، وجعل محرك كهربائي يدور بسرعة ، وحتى حماية الحياة على الأرض من الإشعاع الكوني. هذه القوة السحرية تأتي من المجال المغناطيسي.
تعريف المجال المغناطيسي
المجال المغناطيسي هو مجال مادي خاص موجود حول مغناطيس أو يتم إنشاؤه عندما يمر تيار كهربائي عبر موصل. يمكن أن تمارس قوة على المغناطيس الأخرى أو تحريك الشحنات الكهربائية.
الخصائص الأساسية للحقول المغناطيسية
1. تأثير قوي على المغناطيس والتيارات الكهربائية
الميزة الأكثر بروزًا في مجال مغناطيسي هي أنه يمكن أن يمارس قوة. ستجذب اثنين من المغناطيس أو يصد بعضهما البعض عندما يكونا قريبًا معًا ، وسيتم تصرف سلك الحمل الحالي من قبل قوة أمبير في مجال مغناطيسي ، ويعمل المحركات والمولدات الكهربائية على هذا المبدأ.
2. الاتجاهMوثيقةField
الحقول المغناطيسية اتجاهية وعادة ما يتم وصفها بخطوط التدفق المغناطيسي. يشير اتجاه الظل لخطوط التدفق المغناطيسي إلى اتجاه المجال المغناطيسي في تلك المرحلة ، في حين تعكس كثافة خطوط التدفق المغناطيسي قوة المجال المغناطيسي. تبدأ خطوط التدفق المغناطيسي لمغناطيس الشريط من القطب N والعودة إلى القطب S.
3. تراكبMوثيقةFIELDS
إذا كان هناك العديد من مصادر المجال المغناطيسي في الفضاء ، فإن الحقول المغناطيسية التي تنشئها ستجعل بعضها البعض لتشكيل مجال مغناطيسي مشترك. تتيح لنا هذه الخاصية حساب توزيع المجال المغناطيسي للأنظمة الكهرومغناطيسية المعقدة.
كيف يتم إنشاء الحقول المغناطيسية؟
يعد توليد المجال المغناطيسي ظاهرة مهمة في الفيزياء ، والتي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بحركة الشحنات الكهربائية. يمكن تتبع أصل المجال المغناطيسي إلى حركة الشحنات الكهربائية. سواء كانت حركة الجزيئات المجهرية أو تدفق التيار العياني ، فإنه يمكن أن يحفز مجالًا مغناطيسيًا.
يولد التيار الكهربائي المجال المغناطيسي
مغناطيسي حقل التيار الخطي: يتم إنشاء مجال مغناطيسي حول موصل يحمل التيار. اتجاهه يتبع قاعدة المسمار الأيمن. الخطوط المغناطيسية للقوة هي دوائر متحدة المركز. كلما اقتربت من الموصل ، كلما كان المجال المغناطيسي أقوى. صيغة الكثافة هي B =2 πrμ 0 i.
مغناطيسيمجال التيار الدائري: على غرار أشريط المغناطيس، يكون المجال المغناطيسي للمحور المركزي على طول اتجاه المحور ، ويمكن حل الشدة عن طريق دمج قانون Biot-Savart ، والذي يتم استخدامه غالبًا لتركيز شعاع الإلكترون.
المجال المغناطيسي لتيار الملف اللولبي: عندما يتم تنشيط الملف اللولبي ، يكون المجال المغناطيسي الداخلي قويًا وموحدًا ، والاتجاه على طول المحور. صيغة القوة هي b {{0}} μ0ni. يستخدم على نطاق واسع في المغناطيس الكهرومغناطيسي وغيرها من المعدات لجذب المواد المغناطيسية للتحكم في الأجهزة الميكانيكية.
المواد المغناطيسية تولد الحقول المغناطيسية
طبيعيmوثيقةmAterials:الأرض هي مغناطيس ضخم ، ويتم إنشاء مجالها المغناطيسي بشكل أساسي بواسطة التيار الأساسي الخارجي السائل ، والذي يلعب دورًا مهمًا في الهجرة البيولوجية والحماية ضد الأشعة الكونية. المغنتيت هو مادة مغناطيسية طبيعية مع ظاهرة مغنطة عفوية ، والتي تم استخدامها للملاحة البوصلة في العصور القديمة.
صناعيmوثيقةmAterials: المغناطيس الدائم مثلمغناطيس البورون الحديد النيوديميوم، والتي يتم إجراؤها من خلال تلبيد درجات الحرارة العالية وغيرها من العمليات لمحاذاة اللحظات المغناطيسية وتوليد مجال مغناطيسي مستقر.
تغيير الحقول الكهربائية يولد الحقول المغناطيسية
Maxwell-Faraday'slAW:يولد تغيير التدفق المغناطيسي في دائرة مغلقة قوة كهربائية مستحثة والتيار. يستخدم المحول التيار المتناوب للملف الأساسي لإنشاء مجال مغناطيسي متغير ، ويحث الملف الثانوي قوة الدخل الكهربائي والتيار لتحقيق تحويل الجهد.
انتشارeالمحارب المغناطيسيwأفيس: تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية في الفضاء عن طريق تفاعل الحقول الكهربائية والمغناطيسية المتغيرة بمرور الوقت ، وتنتشر في فراغ بسرعة الضوء. يتم توليد موجات الراديو بواسطة التيار المتغير بسرعة في هوائي الإرسال ، مما يشكل الحقول الكهربائية والمغناطيسية المتغيرة ، والتي تتفاعل وتنتشر في الأماكن البعيدة.
كيف نقيس الحقول المغناطيسية؟
هناك العديد من الطرق لقياس الحقول المغناطيسية. فيما يلي تقنيات قياس المجال المغناطيسي الشائعة.
باستخدام مقياس المغنطيسي
مقياس المغنطيسي هو أداة تستخدم خصيصًا لقياس قوة المجال المغناطيسي. يكتشف تأثير المجال المغناطيسي على حاملات الشحن في موصل أو أشباه الموصلات الحالية ، ويولد جهد القاعة يتناسب مع قوة المجال المغناطيسي ، وبالتالي يحسب قوة المجال المغناطيسي. الأداة بسيطة للعمل ولها دقة قياس عالية.
باستخدام مقياس التدفق
يعتمد مقياس التدفق على قانون فاراداي للتحريض الكهرومغناطيسي. يقيس بشكل غير مباشر التدفق المغناطيسي عن طريق اكتشاف القوة الكهروموتية المستحثة للملف ، ثم يحدد توزيع المجال المغناطيسي. غالبًا ما يتم استخدامه لقياس توحيد المجال المغناطيسي ، واكتشاف توزيع المجال المغناطيسي ، ودراسة خصائص المواد المغناطيسية.
الإلكترونBeamDeflectionMethod (Suitable لSخاصEالبيئةSUCHLالمتناوبون)
انحراف شعاع الإلكترون هو طريقة قياس المجال المغناطيسي عالي الدقة في المختبر. مبدأها هو استخدام قوة Lorentz في المجال المغناطيسي على الإلكترونات لتحويل شعاع الإلكترون. يتم حساب قوة المجال المغناطيسي عن طريق قياس زاوية الانحراف والمعلمات المعروفة مثل سرعة الإلكترون.
ماذانكونالعوامل التي تؤثر على المجال المغناطيسي؟
تشمل العوامل التي تؤثر على المجال المغناطيسي بشكل أساسي ما يلي:
العامل الحالي
حجم التيار يتناسب مع قوة المجال المغناطيسي. عندما يزداد التيار في الملف اللولبي ، يزيد المجال المغناطيسي وقدرة الامتزاز. عندما يتغير الاتجاه الحالي ، يتغير اتجاه المجال المغناطيسي أيضًا ، والذي يمكن أن يغير اتجاه الأعمدة المغناطيسية للكهرومغناطيسية. يؤثر المسار الحالي على توزيع المجال المغناطيسي. ينتج تيار مستقيم حقول مغناطيسية متحدة المركز ، وينتج التيار الدائري مجالًا مغناطيسيًا على طول المحور على المحور. ترتبط قوته بالتيار النصف.
المواد المغناطيسية
سيؤثر نوع وشكل ودرجة مغنطة المواد المغناطيسية على خصائص المجال المغناطيسي. المواد المغناطيسية الناعمة سهلة الانغماس وتزميد المغناطيسية ، وغالبا ما تستخدم في المحولات ؛ المواد المغناطيسية الصلبة لها قسرية عالية ويصعب إزالة المغناطيسية ، وتستخدم في الغالب في المغناطيس الدائم. سيؤثر شكل المادة أيضًا على توزيع المجال المغناطيسي. يتركز المجال المغناطيسي لمغناطيس الشريط في كلا الطرفين ، بينما يتم توزيع المجال المغناطيسي للمغناطيس الحلقي داخل وخارج. كلما زادت درجة المغنطيسية ، زادت قوة المجال المغناطيسي. يمكن ضبط قوة المجال المغناطيسي عن طريق تغيير عدد المنعطفات وتيار لفائف المغناطيسية الكهرومغناطيسية لتلبية الاحتياجات المختلفة.
العوامل الخارجية
سوف ارتفاع درجة الحرارة يضعف المادة المغناطيسية ، وسوف تفقد المغناطيس الدائم المغناطيسية في درجات حرارة عالية. سوف تتداخل الحقول المغناطيسية الخارجية مع المجال المغناطيسي الأصلي ، مما يزيده في نفس الاتجاه ويقلل منه في الاتجاه المعاكس. تستخدم تقنية التدريع الكهرومغناطيسي هذا المبدأ. يمكن أن يغير الإجهاد الميكانيكي خصائص المجال المغناطيسي للمواد المغناطيسية.
كيف نرى القوات في الحقول المغناطيسية؟
المجال المغناطيسي هو ظاهرة مادية غير مرئية موجودة حول المغناطيس والموصلات التي تحمل الكهرباء. على الرغم من أننا لا نستطيع رؤية المجال المغناطيسي مباشرة بعيوننا المجردة ، من خلال بعض الأساليب التجريبية الذكية ، يمكننا "رؤية" القوى في المجال المغناطيسي بشكل غير مباشر واستكشاف قوانينها.
باستخدام ملفات المغناطيس والحديد (تصور خطوط المجال المغناطيسي)
تعتبر خطوط المجال المغناطيسي أداة لوصف توزيع الحقول المغناطيسية ويمكن أن تظهر بشكل حدسي اتجاه وقوة المجال المغناطيسي. عندما تنتشر الإيداعات الحديدية حول مغناطيس شريط ، سيتم ترتيبها على طول خطوط المجال المغناطيسي ، مشيرة من القطب N إلى القطب S في الخارج ومن القطب S إلى القطب N في الداخل ، وتشكيل حلقة مغلقة. تكون ملفات الحديد كثيفة بالقرب من الأعمدة المغناطيسية ، والحقل المغناطيسي قوي ، في حين أن ملفات الحديد متناثرة في المنطقة الوسطى ، والمجال المغناطيسي ضعيف. هذه الظاهرة توضح بوضوح قانون توزيع المجال المغناطيسي.
مراقبة التفاعل بين المغناطيس
تتجلى القوة بين المغناطيس مثل الأعمدة التي تصد بعضها البعض وعلى عكس الأعمدة التي تجذب بعضها البعض ، ويزداد حجم القوة مع انخفاض المسافة. من خلال مقياس ديناميكي الربيع ، يمكن ملاحظة أن القراءة تزداد عندما تكون أعمدة مثل الأعمدة قريبة من بعضها البعض ، وتناقص القراءة عندما تكون الأعمدة قريبة من بعضها البعض. قوة المجال المغناطيسي هي متجه ، واتجاهه على طول الخط الذي يربط الأعمدة. يعتمد الحجم على قوة المغناطيسية والمسافة.
باستخدام حركة التيار الكهربائي في مجال مغناطيسي
عندما يكون التيار الكهربائي في مجال مغناطيسي ، يتم التصرف عليه من قبل قوة أمبير ، التي تعتزم عن اتجاه التيار والمجال المغناطيسي ويمكن تحديدها بواسطة القاعدة اليمنى. يتناسب حجم قوة أمبير مع التيار ، وقوة المجال المغناطيسي ، وطول السلك. باستخدام هذا المبدأ ، يمكن تصنيع أجهزة مثل المحركات لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية.
التطبيقات العملية للحقول المغناطيسية
في صناعة الطاقة الكهربائية:تستخدم المولدات والمحولات مبدأ الحث الكهرومغناطيسي لتحقيق التحويل المتبادل للطاقة الكهربائية والطاقة الميكانيكية.
طبيfIELD:يستخدم التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) حقول مغناطيسية قوية للحصول على صور عالية الدقة للداخلية في جسم الإنسان ، مما يجعله أداة مهمة لتشخيص المرض.
فيterms منtRansportation:تعتمد قطارات Maglev على القوة البغيضة الناتجة عن المجال المغناطيسي لتحقيق تشغيل عالي السرعة بدون اتصال ، مما يقلل بشكل كبير من خسائر الاحتكاك.
لخص
كواحدة من القوى الأساسية للطبيعة ، يلعب المجال المغناطيسي دورًا مهمًا من الجسيمات المجهرية إلى المقياس الكوني. إن فهم المجالات المغناطيسية لا يساعدنا فقط على إتقان مبادئ العلوم والتكنولوجيا الحديثة ، بل يساعدنا أيضًا على فهم العالم المادي الذي نعيش فيه بشكل أفضل. مع تطوير علم المواد والتكنولوجيا الكمومية ، ستكون آفاق الحقول المغناطيسية في الطاقة والطب وتكنولوجيا المعلومات وغيرها من المجالات أوسع.