Comment fonctionnent les champs magnétiques?

Contenu

• Science des champs magnétiques
• Comment déterminez-vous le champ magnétique?
• Types d'aimants
• Force magnétique
• Champs magnétiques et champs électriques
• Produit croisé de champ magnétique
• Champ magnétique dans la vie quotidienne

••• Syed Hussain Ather

Champs magnétiques décrire comment la force magnétique est répartie dans l'espace autour des objets. Généralement, pour un objet magnétique, les lignes de champ magnétique se déplacent du pôle nord au nord, comme elles le font pour le champ magnétique terrestre, comme le montre le diagramme ci-dessus.

La même force magnétique qui fait que les objets collent aux surfaces des réfrigérateurs est utilisée dans le champ magnétique terrestre qui protège la couche d'ozone du vent solaire nuisible. Le champ magnétique forme des paquets d'énergie qui empêchent la couche d'ozone de perdre du dioxyde de carbone.

Vous pouvez l'observer en versant de la limaille de fer, de petits morceaux de fer en poudre, en présence d'un aimant. Placez un aimant sous un morceau de papier ou une légère feuille de tissu. Versez la limaille de fer et observez les formes et les formations qu’ils prennent. Déterminez quelles lignes de champ il devrait y avoir pour que les dépôts se rangent et se répartissent de la sorte, conformément à la physique des champs magnétiques.

Plus la densité des lignes de champ magnétique tracées du nord au sud est grande, plus la magnitude du champ magnétique est grande. Ces pôles nord et sud déterminent également si les objets magnétiques sont attractifs (entre les pôles nord et sud) ou répulsifs (entre des pôles identiques). Les champs magnétiques sont mesurés en unités de Tesla, T.

Science des champs magnétiques

Les champs magnétiques se formant lorsque des charges sont en mouvement, ils sont induits par le courant électrique traversant des fils. Le champ vous permet de décrire la force et la direction potentielles d'une force magnétique en fonction du courant traversant un fil électrique et de la distance parcourue par le courant. Les lignes de champ magnétique forment des cercles concentriques autour des fils. La direction de ces champs peut être déterminée via la "règle de droite".

Cette règle vous indique que, si vous placez votre pouce droit dans le sens d'un courant électrique traversant un fil, les champs magnétiques résultants se dirigent dans la direction dans laquelle vos doigts se courbent. Avec un courant plus élevé, un plus grand champ magnétique est induit.

Comment déterminez-vous le champ magnétique?

Vous pouvez utiliser différents exemples de règle de la main droite, règle générale pour déterminer la direction de différentes quantités impliquant un champ magnétique, une force magnétique et un courant. Cette règle empirique est utile dans de nombreux cas d’électricité et de magnétisme dictés par la mathématique des quantités.

••• Syed Hussain Ather

Cette règle de la main droite peut également être appliquée dans l’autre sens pour une solénoïde, ou une série de courant électrique enroulé dans des fils autour d’un aimant. Si vous pointez votre pouce droit dans la direction du champ magnétique, vos doigts de la main droite s’enrouleront dans la direction du courant électrique. Les solénoïdes vous permettent d'exploiter la puissance du champ magnétique grâce aux courants électriques.

••• Syed Hussain Ather

Lorsqu'une charge électrique se déplace, le champ magnétique génère lorsque les électrons qui tournent et se déplacent deviennent eux-mêmes des objets magnétiques. Les éléments qui ont des électrons non appariés dans leurs états fondamentaux tels que le fer, le cobalt et le nickel peuvent être alignés de manière à former des aimants permanents. Le champ magnétique produit par les électrons de ces éléments laisse le courant électrique traverser ces éléments plus facilement. Les champs magnétiques eux-mêmes peuvent également s’annuler s’ils sont égaux en magnitude dans des directions opposées.

Courant traversant une batterie je dégage un champ magnétique B au rayon r selon l'équation de Loi des ampères: B = 2πr μ_{0 ​}je où μ₀ est la constante magnétique de la perméabilité au vide, 1,26 x 10^-6 H / m ("Henries par mètre" dans lequel Henries est l'unité d'inductance). Augmenter le courant et se rapprocher du fil augmente le champ magnétique qui en résulte.

Types d'aimants

Pour qu'un objet soit magnétique, les électrons qui le composent doivent pouvoir se déplacer librement et entre les atomes de celui-ci. Pour qu'un matériau soit magnétique, les atomes avec des électrons non appariés du même spin sont des candidats idéaux, car ces atomes peuvent s'associer les uns aux autres pour permettre aux électrons de circuler librement. Tester des matériaux en présence de champs magnétiques et examiner les propriétés magnétiques des atomes qui les composent peuvent vous renseigner sur leur magnétisme.

Ferromagnétiques avoir cette propriété qu'ils theyre en permanence magnétique. Paramagnetsen revanche, ne présenteront pas de propriétés magnétiques sauf en présence d'un champ magnétique pour aligner les spins des électrons afin qu'ils puissent se déplacer librement. Diamagnets ont des compositions atomiques telles qu’elles ne soient pas du tout affectées par les champs magnétiques ou ne soient que très peu affectées par les champs magnétiques. Ils n'ont pas ou peu d'électrons non appariés pour laisser passer les charges.

Les paramagnétiques fonctionnent parce qu’ils sont faits de matériaux qui ont toujours moments magnétiques, connu sous le nom de dipôles. Ces moments sont leur capacité à s'aligner sur un champ magnétique externe en raison du spin d'électrons non appariés dans les orbitales des atomes qui composent ces matériaux. En présence d'un champ magnétique, les matériaux s'alignent pour s'opposer à la force du champ magnétique. Les éléments paramagnétiques comprennent le magnésium, le molybdène, le lithium et le tantale.

Dans un matériau ferromagnétique, le dipôle des atomes est permanent, généralement du fait du chauffage et du refroidissement du matériau paramagnétique. Cela en fait des candidats idéaux pour les électroaimants, les moteurs, les générateurs et les transformateurs destinés aux appareils électriques. Les diamagnets, en revanche, peuvent produire une force qui permet aux électrons de circuler librement sous forme de courant, ce qui crée un champ magnétique opposé à tout champ magnétique qui leur est appliqué. Cela annule le champ magnétique et les empêche de devenir magnétiques.

Force magnétique

Les champs magnétiques déterminent la manière dont les forces magnétiques peuvent être réparties en présence de matériau magnétique. Tandis que les champs électriques décrivent la force électrique en présence d'un électron, les champs magnétiques n'ont pas de particule analogue sur laquelle décrire la force magnétique. Les scientifiques ont émis l'hypothèse qu'un monopôle magnétique pourrait exister, mais il n'y a pas eu de preuves expérimentales montrant que ces particules existent. Si elles existaient, ces particules auraient une "charge" magnétique de la même manière que les particules chargées ont des charges électriques.

La force magnétique résulte de la force électromagnétique, la force qui décrit à la fois les composants électriques et magnétiques des particules et des objets. Cela montre à quel point le magnétisme est intrinsèque aux mêmes phénomènes électriques tels que le courant et le champ électrique. C'est la charge d'un électron qui fait que le champ magnétique le dévie sous l'effet d'une force magnétique de la même manière que le champ électrique et la force électrique.

Champs magnétiques et champs électriques

Alors que seules les particules chargées en mouvement émettent des champs magnétiques et que toutes les particules chargées émettent des champs électriques, les champs magnétiques et électromagnétiques font partie de la même force fondamentale de l'électromagnétisme. La force électromagnétique agit entre toutes les particules chargées de l'univers. La force électromagnétique prend la forme de phénomènes quotidiens liés à l'électricité et au magnétisme, tels que l'électricité statique et les liaisons chargées électriquement qui maintiennent les molécules ensemble.

Cette force, parallèlement aux réactions chimiques, forme également la base de la force électromotrice qui permet au courant de circuler dans les circuits. Lorsqu'un champ magnétique est associé à un champ électrique, le produit obtenu est appelé champ électromagnétique.

le Équation de force de Lorentz F = qE + qv × B décrit la force exercée sur une particule chargée q se déplaçant à la vitesse v en présence d'un champ électrique E et champ magnétique B. Dans cette équation, le X entre qv et B représente le produit croisé. Le premier terme qE est la contribution du champ électrique à la force, et le second terme qv x B est la contribution des champs magnétiques.

L’équation de Lorentz vous indique également que la force magnétique entre la vitesse de charge v et le champ magnétique B est qvbsinϕ pour une charge q où ϕ ("phi") est l'angle entre v et B, qui doit être inférieur à 1_80_ degrés. Si l'angle entre v et B est plus grand, utilisez l’angle dans le sens opposé pour résoudre ce problème (d'après la définition d'un produit mixte). Si _ϕ_ est égal à 0, la vitesse et le champ magnétique pointent dans la même direction, la force magnétique sera égale à 0. La particule continuera à se déplacer sans être déviée par le champ magnétique.

Produit croisé de champ magnétique

••• Syed Hussain Ather

Dans le diagramme ci-dessus, le produit croisé entre deux vecteurs une et b est c. Notez la direction et la magnitude de c. Son dans la direction perpendiculaire à une et b quand donné par la règle de la main droite. La règle de la main droite signifie que la direction du produit croisé résultant c est donné par la direction de votre pouce lorsque votre index droit est dans la direction de b et votre majeur droit est dans la direction de une.

Le produit croisé est une opération vectorielle qui aboutit au vecteur perpendiculaire à la fois qv et B donnée par la règle de la main droite des trois vecteurs et avec la magnitude de l'aire du parallélogramme que les vecteurs qv et B envergure. La règle de la main droite signifie que vous pouvez déterminer la direction du produit croisé entre qv et B en plaçant votre index droit dans la direction de B, votre majeur en direction de qvet la direction résultante de votre pouce sera la direction de produit croisé de ces deux vecteurs.

••• Syed Hussain Ather

Dans le diagramme ci-dessus, la règle de la main droite montre également la relation entre champ magnétique, force magnétique et courant traversant un fil. Cela montre également que le produit croisé entre ces trois quantités peut représenter la règle de la main droite, car le produit croisé entre la direction de la force et le champ est égal à la direction des courants.

Champ magnétique dans la vie quotidienne

Des champs magnétiques d’environ 0,2 à 0,3 tesla sont utilisés en imagerie par résonance magnétique (IRM). L'IRM est une méthode utilisée par les médecins pour étudier les structures internes du corps d'un patient, telles que le cerveau, les articulations et les muscles. Cela se fait généralement en plaçant le patient dans un champ magnétique puissant de sorte que le champ parcourt l'axe du corps. Si vous imaginez que le patient est un solénoïde magnétique, les courants électriques s’enrouleraient autour de son corps et le champ magnétique serait dirigé dans la direction verticale par rapport au corps, comme le dictait la règle de la main droite.

Les scientifiques et les médecins étudient ensuite la manière dont les protons s'écartent de leur alignement normal pour étudier les structures au sein du corps d'un patient. Grâce à cela, les médecins peuvent poser en toute sécurité des diagnostics non invasifs de diverses conditions.

La personne ne ressent pas le champ magnétique au cours du processus, mais, en raison de la grande quantité d'eau contenue dans le corps humain, les noyaux d'hydrogène (qui sont des protons) s'alignent à cause du champ magnétique.Le scanner IRM utilise un champ magnétique dont les protons absorbent l’énergie et, lorsque le champ magnétique est désactivé, les protons reviennent à leurs positions normales. L'appareil suit ensuite ce changement de position pour déterminer l'alignement des protons et créer une image de l'intérieur du corps du patient.