MAGNETFELD: INTENSITÄT, EIGENSCHAFTEN, QUELLEN, BEISPIELE - KÖRPERLICH - 2025

Das Magnetfeld ist der Einfluss, den sich bewegende elektrische Ladungen auf den sie umgebenden Raum haben. Ladungen haben immer ein elektrisches Feld, aber nur diejenigen, die in Bewegung sind, können magnetische Effekte erzeugen.

Die Existenz von Magnetismus ist seit langem bekannt. Die alten Griechen beschrieben ein Mineral, das kleine Eisenstücke anziehen kann: Es war der Lodestone oder Magnetit.

Abbildung 1. Magnetitprobe. Quelle: Wikimedia Commons. Rojinegro81.

Die Weisen Thales von Milet und Platon waren damit beschäftigt, magnetische Effekte in ihren Schriften festzuhalten; Übrigens kannten sie auch statische Elektrizität.

Der Magnetismus wurde jedoch erst im 19. Jahrhundert mit Elektrizität in Verbindung gebracht, als Hans Christian Oersted feststellte, dass der Kompass in der Nähe eines stromführenden leitenden Drahtes abwich.

Heute wissen wir, dass Elektrizität und Magnetismus sozusagen zwei Seiten derselben Medaille sind.

Magnetfeld in der Physik

In der Physik ist der Begriff Magnetfeld eine Vektorgröße mit Modul (seinem numerischen Wert), Raumrichtung und Sinn. Es hat auch zwei Bedeutungen. Der erste ist ein Vektor, der manchmal als magnetische Induktion bezeichnet wird und mit B bezeichnet wird .

Die Einheit von B im Internationalen Einheitensystem ist die Tesla, abgekürzt T. Die andere Größe, die auch als Magnetfeld bezeichnet wird, ist H , auch als Magnetfeldstärke bekannt, und deren Einheit Ampere / Meter ist.

Beide Größen sind proportional, aber sie werden auf diese Weise definiert, um die Auswirkungen magnetischer Materialien auf die durch sie hindurchgehenden Felder zu berücksichtigen.

Wenn sich ein Material in der Mitte eines externen Magnetfelds befindet, hängt das resultierende Feld davon und auch von der magnetischen Reaktion des Materials ab. Deshalb sind B und H verwandt durch:

B = & mgr; _m H.

Hier μ _m ist eine Konstante , die von dem Material abhängt und geeignete Einheiten , so dass , wenn durch Multiplikation H das Ergebnis tesla ist.

C.

-Das Magnetfeld ist eine Vektorgröße, daher hat es Größe, Richtung und Sinn.

-Die Einheit des Magnetfelds B im internationalen System ist die Tesla, abgekürzt als T, während H Ampere / Meter ist. Andere Einheiten, die in der Literatur häufig vorkommen, sind Gauß (G) und Oersted.

-Magnetfeldlinien sind immer geschlossene Schleifen, die einen Nordpol verlassen und in einen Südpol eintreten. Das Feld berührt immer die Linien.

-Die Magnetpole werden immer in einem Nord-Süd-Paar dargestellt. Es ist nicht möglich, einen isolierten Magnetpol zu haben.

-Es entsteht immer aus der Bewegung elektrischer Ladungen.

-Ihre Intensität ist proportional zur Größe der Last oder dem Strom, der sie erzeugt.

-Die Stärke des Magnetfelds nimmt mit der Umkehrung des Quadrats der Entfernung ab.

-Magnetfelder können sowohl zeitlich als auch räumlich konstant oder variabel sein.

- Ein Magnetfeld kann eine Magnetkraft auf eine sich bewegende Ladung oder auf einen Draht ausüben, der Strom führt.

Pole eines Magneten

Ein Stabmagnet hat immer zwei Magnetpole: den Nordpol und den Südpol. Es ist sehr einfach zu überprüfen, ob sich Pole mit demselben Vorzeichen abstoßen, während sich Pole unterschiedlicher Typen anziehen.

Dies ist ziemlich ähnlich wie bei elektrischen Ladungen. Es kann auch beobachtet werden, dass je näher sie sind, desto größer die Kraft ist, mit der sie sich gegenseitig anziehen oder abstoßen.

Stabmagnete haben ein charakteristisches Muster von Feldlinien. Es sind scharfe Kurven, die den Nordpol verlassen und in den Südpol eintreten.

Abbildung 2. Magnetfeldlinien eines Stabmagneten. Quelle: Wikimedia Commons.

Ein einfaches Experiment, um diese Linien zu betrachten, besteht darin, Eisenspäne auf einem Blatt Papier zu verteilen und einen Stabmagneten darunter zu platzieren.

Die Intensität des Magnetfeldes ist in Abhängigkeit von der Dichte der Feldlinien angegeben. Diese sind in der Nähe der Pole immer am dichtesten und breiten sich aus, wenn wir uns vom Magneten entfernen.

Der Magnet ist auch als magnetischer Dipol bekannt, bei dem die beiden Pole genau die Nord- und Südmagnetpole sind.

Aber sie können niemals getrennt werden. Wenn Sie den Magneten halbieren, erhalten Sie zwei Magnete mit jeweils Nord- und Südpol. Isolierte Pole werden als magnetische Monopole bezeichnet, aber bisher wurden keine isoliert.

Quellen

Man kann von verschiedenen Magnetfeldquellen sprechen. Sie reichen von magnetischen Mineralien über die Erde selbst, die sich wie ein großer Magnet verhält, bis hin zu Elektromagneten.

Die Wahrheit ist jedoch, dass jedes Magnetfeld seinen Ursprung in der Bewegung geladener Teilchen hat.

Später werden wir sehen, dass die ursprüngliche Quelle allen Magnetismus in den winzigen Strömen innerhalb des Atoms liegt, hauptsächlich in jenen, die aufgrund der Bewegungen der Elektronen um den Kern und der im Atom vorhandenen Quanteneffekte erzeugt werden.

In Bezug auf seinen makroskopischen Ursprung kann man jedoch an natürliche und künstliche Quellen denken.

Natürliche Quellen "schalten" sich im Prinzip nicht aus, sie sind Permanentmagnete, es muss jedoch berücksichtigt werden, dass Wärme den Magnetismus von Substanzen zerstört.

Bei künstlichen Quellen kann der magnetische Effekt unterdrückt und gesteuert werden. Deshalb haben wir:

-Magnete natürlichen Ursprungs, hergestellt aus magnetischen Mineralien wie Magnetit und Maghemit, beides Eisenoxide.

-Elektrische Ströme und Elektromagnete.

Magnetische Mineralien und Elektromagnete

In der Natur gibt es verschiedene Verbindungen, die bemerkenswerte magnetische Eigenschaften aufweisen. Sie können beispielsweise Eisen- und Nickelstücke sowie andere Magnete anziehen.

Die genannten Eisenoxide wie Magnetit und Maghemit sind Beispiele für diese Substanzklasse.

Die magnetische Suszeptibilität ist der Parameter, mit dem die magnetischen Eigenschaften von Gesteinen quantifiziert werden. Magmatische Grundgesteine ​​sind aufgrund ihres hohen Magnetitgehalts diejenigen mit der höchsten Anfälligkeit.

Auf der anderen Seite gibt es ein zugehöriges Magnetfeld, solange Sie einen Draht haben, der Strom führt. Hier haben wir eine andere Möglichkeit, ein Feld zu erzeugen, das in diesem Fall die Form konzentrischer Kreise mit dem Draht hat.

Die Bewegungsrichtung des Feldes wird durch die Regel des rechten Daumens vorgegeben. Wenn der Daumen der rechten Hand in Richtung des Stroms zeigt, zeigen die verbleibenden vier Finger die Richtung an, in die sich die Feldlinien krümmen.

Abbildung 3. Regel für den rechten Daumen, um die Richtung und den Sinn des Magnetfelds zu ermitteln. Quelle: Wikimedia Commons.

Ein Elektromagnet ist ein Gerät, das aus elektrischen Strömen Magnetismus erzeugt. Es hat den Vorteil, dass es nach Belieben ein- und ausgeschaltet werden kann. Wenn der Strom aufhört, verschwindet das Magnetfeld. Zusätzlich kann auch die Feldstärke gesteuert werden.

Elektromagnete sind Teil verschiedener Geräte, darunter Lautsprecher, Festplatten, Motoren und Relais.

Magnetkraft auf eine sich bewegende Ladung

Das Vorhandensein eines Magnetfelds B kann mittels einer elektrischen Testladung namens q überprüft werden, die sich mit der Geschwindigkeit v bewegt . Hierfür ist das Vorhandensein von elektrischen Feldern und Gravitationsfeldern zumindest vorerst ausgeschlossen.

In einem solchen Fall ist die Kraft, die die Ladung q erfährt, die als F _B bezeichnet wird, vollständig auf den Einfluss des Feldes zurückzuführen. Qualitativ wird folgendes beobachtet:

-Die Größe von F _B ist proportional zu q und einer Geschwindigkeit v.

-Wenn v parallel zum Magnetfeldvektor ist, ist die Größe von F _B Null.

-Die Magnetkraft ist senkrecht zu v und B.

- Schließlich ist die Größe der Magnetkraft proportional zu sin & thgr;, wobei & thgr; der Winkel zwischen dem Geschwindigkeitsvektor und dem Magnetfeldvektor ist.

Alle oben genannten Punkte gelten sowohl für positive als auch für negative Ladungen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Richtung der Magnetkraft umgekehrt ist.

Diese Beobachtungen stimmen mit dem Vektorprodukt zwischen zwei Vektoren überein, so dass die Magnetkraft einer Punktladung q, die sich mit der Geschwindigkeit v in der Mitte eines Magnetfelds bewegt, wie folgt ist:

F _B = q v x B.

Wessen Modul ist:

Abbildung 4. Rechte Regel für die Magnetkraft auf eine positive Punktladung. Quelle: Wikimedia Commons.

Wie wird ein Magnetfeld erzeugt?

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, zum Beispiel:

- Durch Magnetisieren einer geeigneten Substanz.

- Leiten eines elektrischen Stroms durch einen leitenden Draht.

Der Ursprung des Magnetismus in der Materie wird jedoch dadurch erklärt, dass man sich daran erinnert, dass er mit der Bewegung von Ladungen verbunden sein muss.

Ein Elektron, das den Kern umkreist, ist im Wesentlichen ein winziger geschlossener Stromkreis, der jedoch wesentlich zum Magnetismus des Atoms beitragen kann. In einem Stück magnetischem Material befinden sich sehr viele Elektronen.

Dieser Beitrag zum Magnetismus des Atoms wird als magnetisches Orbitalmoment bezeichnet. Aber es gibt noch mehr, denn die Translation ist nicht die einzige Bewegung des Elektrons. Es hat auch ein magnetisches Spinmoment, einen Quanteneffekt, dessen Analogie die einer Drehung des Elektrons um seine Achse ist.

Tatsächlich ist das magnetische Spinmoment die Hauptursache für den Magnetismus eines Atoms.

Typen

Das Magnetfeld kann abhängig von der Verteilung der Ströme, aus denen es stammt, viele Formen annehmen. Dies kann wiederum nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich oder beides gleichzeitig variieren.

- In der Nähe der Pole eines Elektromagneten gibt es ein annähernd konstantes Feld.

- Auch innerhalb eines Solenoids wird ein Feld mit hoher Intensität und Gleichmäßigkeit erhalten, wobei die Feldlinien entlang der axialen Achse gerichtet sind.

-Das Magnetfeld der Erde nähert sich ziemlich gut dem Feld eines Stabmagneten an, insbesondere in der Nähe der Oberfläche. Weiter entfernt verändert der Sonnenwind die elektrischen Ströme und verformt sie erheblich.

- Ein Strom führender Draht hat ein Feld in Form konzentrischer Kreise mit dem Draht.

In Bezug darauf, ob das Feld im Laufe der Zeit variieren kann oder nicht, haben wir:

-Statische Magnetfelder, wenn sich weder ihre Größe noch ihre Richtung im Laufe der Zeit ändern. Das Feld eines Stabmagneten ist ein gutes Beispiel für diese Art von Feld. Auch solche, die von Drähten stammen, die stationäre Ströme führen.

-Variable Felder im Laufe der Zeit, wenn eines ihrer Merkmale im Laufe der Zeit variiert. Eine Möglichkeit, sie zu erhalten, sind Wechselstromgeneratoren, die das Phänomen der magnetischen Induktion nutzen. Sie sind in vielen häufig verwendeten Geräten zu finden, beispielsweise in Mobiltelefonen.

Biot-Savarts Gesetz

Wenn die Form des Magnetfelds berechnet werden soll, das durch eine Verteilung der Ströme erzeugt wird, kann das Biot-Savart-Gesetz verwendet werden, das 1820 von den französischen Physikern Jean Marie Biot (1774-1862) und Felix Savart (1791-1841) entdeckt wurde. ).

Für einige Stromverteilungen mit einfachen Geometrien kann ein mathematischer Ausdruck für den Magnetfeldvektor direkt erhalten werden.

Angenommen, wir haben ein Drahtsegment der Differenzlänge dl, das einen elektrischen Strom I führt. Es wird auch angenommen, dass sich der Draht im Vakuum befindet. Das Magnetfeld, das diese Verteilung erzeugt:

- Verringert sich mit der Umkehrung des Quadrats des Abstands zum Draht.

-Es ist proportional zur Intensität des Stroms I, der durch den Draht fließt.

-Ihre Richtung ist tangential zum Umfang des Radius r, der auf dem Draht zentriert ist, und seine Richtung wird durch die Regel des rechten Daumens gegeben.

- μ _o = 4π. 10 ^-7 Tm / A.

- d B ist ein Magnetfelddifferential.

- I ist die Intensität des durch den Draht fließenden Stroms.

- r ist der Abstand zwischen der Mitte des Drahtes und dem Punkt, an dem Sie das Feld finden möchten.

-r ist der Vektor, der vom Draht zu dem Punkt geht, an dem Sie das Feld berechnen möchten.

Beispiele

Nachfolgend finden Sie zwei Beispiele für Magnetfelder und ihre analytischen Ausdrücke.

Magnetfeld, das von einem sehr langen geradlinigen Draht erzeugt wird

Mit Hilfe des Biot-Savart-Gesetzes kann das Feld erhalten werden, das von einem dünnen endlichen Leiterdraht erzeugt wird, der einen Strom I führt. Durch Integrieren entlang des Leiters und Aufnehmen des Grenzfalls, in dem er sehr lang ist, der Größe des Feldes Ergebnis:

Feld erzeugt durch die Helmholtz-Spule

Die Helmholtz-Spule besteht aus zwei identischen und konzentrischen Kreisspulen, an die der gleiche Strom geleitet wird. Sie dienen dazu, ein annähernd gleichmäßiges Magnetfeld darin zu erzeugen.

Figure 5. Schema der Helmholtz-Spulen. Quelle: Wikimedia Commons.

Seine Größe in der Mitte der Spule ist:

Y ist entlang der axialen Achse gerichtet. Die Faktoren der Gleichung sind:

- N steht für die Anzahl der Windungen der Spulen

- I ist die Größe des Stroms

- μ _o ist die magnetische Permeabilität des Vakuums

- R ist der Radius der Spulen.

Verweise

1. Figueroa, D. (2005). Reihe: Physik für Wissenschaft und Technik. Band 1. Kinematik. Herausgegeben von Douglas Figueroa (USB).
2. Magnetfeldstärke H . Wiederhergestellt von: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Physik: Ein Blick auf die Welt. 6. gekürzte Ausgabe. Lernen einbinden.
4. Magnetfeld und Magnetkräfte. Wiederhergestellt von: Physik.ucf.edu.
5. Rex, A. 2011. Grundlagen der Physik. Pearson.
6. Serway, R., Jewett, J. (2008). Physik für Wissenschaft und Technik. Band 2. 7 .. Ed. Cengage Learning.
7. Universität von Vigo. Beispiele für Magnetismus. Wiederhergestellt von: quintans.webs.uvigo.es