Mágneses mező — definíció, tulajdonságok és mérése (tesla, gauss)
Ismerd meg a mágneses mező definícióját, tulajdonságait és mérését (tesla, gauss) egyszerű magyarázatokkal, fluxusvonalakkal, példákkal és gyakorlati mérési módszerekkel.
A mágneses mező az a mágnes körüli (vagy általában bármely forrás körüli) térterület, amelyben mágneses erő hat a mozgó töltésekre és a mágneses dipólusokra. A mozgó elektromos töltések (áramok) és a permanens mágnesek egyaránt mágneses mezőt hoznak létre; továbbá időben változó elektromos mezők is generálnak mágneses mezőt. A mágneses mezők gyakran szemléltethetők mágneses fluxusvonalakkal: ezek a vonalak megmutatják a mező irányát és sűrűségét. A mágneses mező irányát úgy értelmezzük, hogy a vonalak merre haladnak (kívül a mágnesnél az északi pólustól a déli felé), és a vonalak sűrűsége ad tájékoztatást a mező helyi erősségéről. Ha vasreszeléket helyezünk egy mágnes fölé, a reszelék a fluxusvonalak mentén rendeződik, így láthatóvá válnak a vonalak. A mágneses mezők erőt adnak más részecskéknek, amelyek a mágneses mezővel érintkeznek.
Alapvető források és törvények
A fizikában a mágneses tér olyan vektormező, amely a téren áthaladó mozgó töltéseket és mágneses dipólusokat hatással van, vagyis erőt és forgatónyomatékot fejt ki rájuk. Egy állandó (stacionárius) áram által keltett mágneses mezőt a Biot–Savart-törvény írja le, az áramok és a mágneses mező közötti összefüggéseket pedig az Ampère-törvény (Maxwell által kiegészítve) foglalja egységes elméletbe. Michael Faraday felfedezte az indukció jelenségét, azaz hogy változó mágneses mező elektromos mezőt hoz létre; ezt továbbfejlesztette és formalizálta James Clerk Maxwell.
A mágneses mező és részecskék kölcsönhatása
A mozgó töltésekre ható klasszikus erő a Lorentz-erő, amelyet egyszerűen írhatunk: F = q v × B (itt q a töltés, v a sebességvektor, B a mágneses indukcióvektor). A mágneses dipólusokra (például egy kis pálcamágnesre vagy az elektron spinjére) a mező forgatónyomatékot és helyzetfüggő erőt fejt ki: a dipólus tengelye hajlamos párhuzamosan rendeződni a mezővonalakkal, és egy nem homogén mezőben erő is mozgatja a dipólust.
Energia, impulzus és mezőerősség
A mágneses mezőnek energiája és impulzusa van. Vákuumban a mágneses energiasűrűség kifejezhető a B indukcióval: u = B²/(2μ0), ahol μ0 a vákuum permeabilitása. Elektromágneses rendszerekben az energiaáramlást és -sűrűséget a Poynting-vektor és a Maxwell-egyenletek írják le; az elektromágneses terek impulzusát és mozgási mennyiségét az E és B terek kombinációja határozza meg.
Mértékegységek
A mágneses mezőt általában a mágneses indukció (B) segítségével adjuk meg: SI-egysége a tesla (SI-egységek), míg a cgs-rendszerben a gauss használatos. A két egység között a kapcsolat: 1 tesla = 10 000 gauss (1 T = 10^4 G). Gyakorlati példák: a földi mágneses tér erőssége nagyjából 25–65 µT (mikrotesla), azaz kb. 0,25–0,65 gauss; egy erős MRI-mágnes több tesla nagyságrendű.
Mágnesesség típusai
Az anyagok mágnesessége különböző formákban jelentkezhet: a mágnesesség általános témájába tartozik a diamágnesesség, a paramágnesesség és a ferromágnesség. A mágnes szó alatt gyakran permanens (ferromágneses) anyagokat értünk, amelyekben a helyi mágneses dipólusok rendeződésével erős, tartós mező jöhet létre.
Mágneses mező létrehozása elektromos eszközökkel
Az elektromos mezők változásával létrehozott mágneses mezők leírásához lásd az elektromágnesesség témakörét. Elektromágnest készítünk, ha tekercselést (áramot) vezetünk át egy ferromágneses magon: így a mező erőssége szabályozható az áram változtatásával. A Maxwell-egyenletek összekapcsolják az elektromos és mágneses jelenségeket, és alapját képezik sok modern technológiának (motorok, generátorok, transzformátorok, rádióhullámok stb.).
Mérése és érzékelése
A mágneses mező mérésére számos eszköz létezik: egyszerűbb mérők a Hall-effektuson alapuló Hall-szondák és gaussmérők, érzékenyebbek a fluxgate-mágnesmérők, a SQUID (szupervezető kvantuminterferencia-detektor) pedig extrém gyenge mezők kimutatására alkalmas. Több esetben tekercs + integrátor (indukciós módszer) alkalmas a mágneses fluxus mérésére.
Az elektromos mező és a mágneses mező együtt képezik az elektromágneses mezőt, amelynek törvényeit és jelenségeit a klasszikus kutatók, különösen Michael Faraday munkái alapozzák meg.
H-mező
A fizikusok azt mondhatják, hogy a két mágnes közötti erőt és nyomatékot az egymást taszító vagy vonzó mágneses pólusok okozzák. Ez olyan, mint az azonos elektromos töltéseket taszító vagy ellentétes elektromos töltéseket vonzó Coulomb-erő. Ebben a modellben a mágneses H-mezőt az egyes pólusok körül "elkenődött" mágneses töltések hozzák létre. A H-mező tehát olyan, mint az E elektromos mező, amely egy pozitív elektromos töltésnél kezdődik és egy negatív elektromos töltésnél végződik. Az északi pólus közelében minden H-mező vonal az északi pólustól távolodik (akár a mágnes belsejében, akár azon kívül), míg a déli pólus közelében (akár a mágnes belsejében, akár azon kívül) minden H-mező vonal a déli pólus felé mutat. Az északi pólus tehát a H-mező irányába ható erőt érez, míg a déli pólusra ható erő a H-mezővel ellentétes irányú.
A mágneses pólus modellben az m elemi mágneses dipólust két ellentétes pólusú, qm póluserősségű mágneses pólus alkotja, amelyeket nagyon kis d távolság választ el egymástól, úgy, hogy m = qm d.
Sajnos a mágneses pólusok nem létezhetnek egymástól függetlenül. Minden mágnesnek vannak észak-déli póluspárjai, amelyeket nem lehet szétválasztani anélkül, hogy két olyan mágnest hoznánk létre, amelyeknek mindegyike észak-déli póluspárral rendelkezik. A mágneses pólusok nem veszik figyelembe sem az elektromos áram által létrehozott mágnesességet, sem a mágneses mező által a mozgó elektromos töltésekre kifejtett erőt.
A mágneses pólus modell : két ellentétes pólus, északi (+) és déli (-), amelyek d távolságban vannak egymástól, H-mezőt (vonalakat) hoznak létre.
H-mező és mágneses anyagok
A H-mező meghatározása:
H ≡ B μ 0 - M , {\displaystyle \mathbf {H} \ \ \equiv \ {\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}-\mathbf {M} ,} 
(H meghatározása SI-egységben)
Ezzel a definícióval az Ampere-törvény a következőképpen alakul:
∮ 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 }}=\pont \left({\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}-\mathbf {M} \right)\cdot d{\boldsymbol {\ell }}=I_{\mathrm {tot} }-I_{\mathrm {b} }=I_{\mathrm {f} }} 
ahol If a hurok által körülvett "szabad áramot" jelenti, így a H vonalintegrálja egyáltalán nem függ a kötött áramoktól. Ennek az egyenletnek a differenciál egyenértékét lásd a Maxwell-egyenleteknél. Ampere törvénye a peremfeltételhez vezet:
H 1 , ∥ - H 2 , ∥ = K f , {\displaystyle H_{1,\parallel }-H_{2,\parallel }=\mathbf {K} _{\text{f}}},} 
ahol Kf a felületi szabadáram-sűrűség.
Hasonlóképpen, a H felszíni integrálja bármely zárt felületen független a szabad áramtól, és a zárt felületen belül a "mágneses töltéseket" választja ki:
∮ 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} =\pont _{S}(\mathbf {B} -\mu _{0}\mathbf {M} )\cdot \mathrm {d} \mathbf {A} =(0-(-q_{M}))=q_{M},} 
amely nem függ a szabad áramlásoktól.
A H-mező tehát két független részre osztható:
H = H 0 + H d , {\displaystyle \mathbf {H} =\mathbf {H} _{0}+\mathbf {H} _{d},\,} 
ahol H0 a csak a szabad áramok által okozott mágneses tér, Hd pedig a csak a kötött áramok által okozott demagnetizáló tér.
A mágneses H-mező ezért a kötött áramot "mágneses töltések" formájában alakítja át. A H-mező vonalai csak a "szabad áram" körül hurokszerűen haladnak, és a mágneses B-mezővel ellentétben a mágneses pólusok közelében is kezdődik és végződik.
Kapcsolódó oldalak
Kérdések és válaszok
K: Mi az a mágneses mező?
V: A mágneses mező az a mágnes körüli terület, ahol a mozgó elektromos töltések hatására mágneses erő hat.
K: Hogyan lehet meghatározni egy mágnes erősségét?
V: A mágnes erősségét a mágneses vonalak közötti távolság alapján lehet meghatározni - minél közelebb vannak egymáshoz, annál erősebb a mágnes.
K: Mi történik, ha a részecskék mágneses mezőt érnek?
V: Amikor a részecskék megérintik a mágneses mezőt, erőt kapnak tőle.
K: Mit jelent az, hogy valaminek saját energiája és lendülete van?
V: A saját energia és lendület azt jelenti, hogy valaminek saját tulajdonságai vannak, amelyek lehetővé teszik, hogy más tárgyaktól vagy erőktől függetlenül mozogjon vagy cselekedjen.
K: Hogyan mérjük a mágneses mező erősségét?
V: A mágneses térerősséget teslaxban (SI mértékegység) vagy gaussban (cgs mértékegység) mérik.
K: Ki alkotta meg az elektromágnesesség törvényét?
V: Michael Faraday alkotta meg az elektromágnesesség törvényét.
K: Mi történik, ha vaspelyheket helyezünk egy mágnes közelébe?
V: Amikor a vaspelyheket egy mágnes közelébe helyezzük, azok elmozdulnak és fluxusvonalakba rendeződnek, amelyek jelzik a mágneses mező irányát és erősségét.
Keres