Un champ magnétique est un champ physique invisible généré par les charges électriques en mouvement, les matériaux magnétiques ou les champs électriques changeants, qui peuvent exercer une force sur les matériaux magnétiques ou les charges électriques en mouvement. Il s'agit d'un champ vectoriel avec amplitude et direction, et est souvent mesuré en termes d'induction magnétique. Le champ magnétique autour d'un aimant attire des liens de fer, tandis que le champ magnétique autour d'un fil de transport de courant peut détourner une aiguille de boussole. Le champ magnétique est lié au champ électrique, et un champ électrique changeant peut générer un champ magnétique (équations de Maxwell) et vice versa, qui est l'une des fondations principales des phénomènes électromagnétiques.
Origine du champ magnétique
Le champ magnétique est un phénomène physique causé par le mouvement des charges électriques ou un champ électrique qui change avec le temps. L'origine du champ magnétique a toujours été un sujet important de recherche pour les scientifiques. Il est lié à notre compréhension du monde physique et peut être compris aux niveaux microscopique et macroscopique.
Micro-niveau
Les champs magnétiques proviennent du mouvement des particules chargées et des propriétés mécaniques quantiques au niveau microscopique. L'électrodynamique quantique montre que le spin des particules chargées génère des moments magnétiques microscopiques. Lorsque ces moments magnétiques sont commandés dans un matériau, le matériau présente un magnétisme macroscopique. De plus, le mouvement directionnel d'électrons libres dans un conducteur génère un champ magnétique encerclant selon la loi Biot-Savart. À un niveau plus profond, le champ magnétique fait partie du champ électromagnétique et, avec le champ électrique, il constitue une description du tenseur du champ électromagnétique.
Macro
Un champ magnétique est un champ vectoriel avec une direction et une ampleur, et sa distribution peut être décrite par des lignes de flux magnétique. Le champ magnétique de la Terre est un champ magnétique macroscopique typique, provenant de la convection de l'alliage de nickel de fer liquide dans le noyau de la Terre. En astrophysique, des champs magnétiques complexes sont formés par la séparation et la rotation des charges plasmatiques. En ingénierie, des champs magnétiques spécifiques peuvent être construits en disposant des bobines de solénoïde ou des aimants permanents. Ces champs magnétiques macroscopiques suivent tous les lois électromagnétiques classiques des équations de Maxwell.
Qu'est-ce qu'un champ magnétique?
Il y a une force invisible mais réelle cachée dans le monde qui nous entoure - il peut garder une boussole pointant vers le nord, faire un tour de moteur électrique rapidement et même protéger la vie sur Terre contre le rayonnement cosmique. Cette puissance magique provient du champ magnétique.
Définition du champ magnétique
Un champ magnétique est un champ physique spécial qui existe autour d'un aimant ou est généré lorsqu'un courant électrique passe par un conducteur. Il peut exercer une force sur d'autres aimants ou des charges électriques en mouvement.
Propriétés de base des champs magnétiques
1. Effet fort sur les aimants et les courants électriques
La caractéristique la plus notable d'un champ magnétique est qu'elle peut exercer une force. Deux aimants s'attiseront ou se repousseront lorsqu'ils seront proches les uns des autres, un fil de courant de courant sera mis sur la force d'ampère dans un champ magnétique, et les moteurs et générateurs électriques travaillent sur ce principe.
2. DirectivitéMagnementField
Les champs magnétiques sont directionnels et sont généralement décrits par des lignes de flux magnétiques. La direction tangente des lignes de flux magnétique indique la direction du champ magnétique à ce point, tandis que la densité des lignes de flux magnétique reflète la force du champ magnétique. Les lignes de flux magnétique d'un aimant à barres commencent à partir du pôle N et retournent au poteau S.
3. Superposition deMagnementFputain
S'il existe plusieurs sources de champ magnétique dans l'espace, les champs magnétiques qu'ils génèrent se superposeront les uns les autres pour former un champ magnétique combiné. Cette propriété nous permet de calculer la distribution du champ magnétique des systèmes électromagnétiques complexes.
Comment les champs magnétiques sont-ils générés?
La génération du champ magnétique est un phénomène important en physique, qui est étroitement lié au mouvement des charges électriques. L'origine du champ magnétique peut être retracée au mouvement des charges électriques. Qu'il s'agisse du mouvement des particules microscopiques ou du flux de courant macroscopique, il peut stimuler un champ magnétique.
Le courant électrique génère un champ magnétique
Magnétique Champ d'un courant linéaire: Un champ magnétique est généré autour d'un conducteur de courant de courant. Sa direction suit la règle de vis droite. Les lignes de force magnétiques sont des cercles concentriques. Plus le conducteur, plus le champ magnétique est fort. La formule d'intensité est b =2 πrμ 0 i.
Un magnétiqueChamp de courant circulaire: Semblable à unaimant à barre, le champ magnétique de l'axe central est le long de la direction de l'axe, et l'intensité peut être résolue en intégrant la loi de Biot-Savart, qui est souvent utilisée pour la mise au point des faisceaux d'électrons.
Champ magnétique du courant du solénoïde: Lorsque le solénoïde est sous tension, le champ magnétique interne est fort et uniforme, et la direction est le long de l'axe. La formule de résistance est b {{0}} μ0ni. Il est largement utilisé dans les électromaignes et autres équipements pour attirer des matériaux ferromagnétiques pour contrôler les dispositifs mécaniques.
Les matériaux magnétiques génèrent des champs magnétiques
NaturelmagnementmAterials:La Terre est un énorme aimant, et son champ magnétique est principalement généré par le courant de noyau extérieur liquide, qui joue un rôle important dans la migration biologique et la protection contre les rayons cosmiques. La magnétite est un matériau magnétique naturel avec un phénomène de magnétisation spontanée, qui a été utilisé pour la navigation en boussole dans les temps anciens.
ArtificielmagnementmAterials: Aimants permanents tels queaimants de bore en fer néodyme, qui sont fabriqués par frittage à haute température et autres processus pour aligner les moments magnétiques et générer un champ magnétique stable.
Les champs électriques changeants génèrent des champs magnétiques
Maxwell-FaradaylAW:Le changement de flux magnétique dans un circuit fermé génère une force électromotive induite et un courant. Le transformateur utilise le courant alternatif de la bobine primaire pour générer un champ magnétique changeant, et la bobine secondaire induit la force électromotrice et le courant pour atteindre la conversion de tension.
Propagation deelectromagnétiquewAVES: Les ondes électromagnétiques se propagent dans l'espace par l'interaction des champs électriques et magnétiques variant dans le temps, et se propagent dans un vide à la vitesse de la lumière. Les ondes radio sont générées par le courant changeant rapidement dans l'antenne de transmission, formant des champs électriques et magnétiques changeants, qui interagissent et se propagent à des endroits éloignés.
Comment mesurer les champs magnétiques?
Il existe de nombreuses façons de mesurer les champs magnétiques. Voici les techniques de mesure du champ magnétique communes.
À l'aide d'un magnétomètre
Un magnétomètre est un instrument spécifiquement utilisé pour mesurer la résistance du champ magnétique. Il détecte l'effet du champ magnétique sur les porteurs de charge dans un conducteur ou semi-conducteur portant le courant, génère une tension de hall proportionnelle à la force du champ magnétique et calcule ainsi la force du champ magnétique. L'instrument est simple à utiliser et a une précision de mesure élevée.
Utilisation d'un compteur de flux
Le fluxmètre est basé sur la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique. Il mesure indirectement le flux magnétique en détectant la force électromotive induite de la bobine, puis détermine la distribution du champ magnétique. Il est souvent utilisé pour mesurer l'uniformité du champ magnétique, détecter la distribution du champ magnétique et étudier les caractéristiques des matériaux magnétiques.
ÉlectronBeamDeflectionMéthod (Sutable pourSspécifiqueEenvironsSuch commeLaboratoires)
La déviation du faisceau d'électrons est une méthode de mesure du champ magnétique de haute précision en laboratoire. Son principe est d'utiliser la force Lorentz du champ magnétique sur les électrons pour détourner le faisceau d'électrons. La résistance du champ magnétique est calculée en mesurant l'angle de déviation et les paramètres connus tels que la vitesse de l'électron.
QuoiSontles facteurs qui affectent le champ magnétique?
Les facteurs qui affectent le champ magnétique incluent principalement les éléments suivants:
Facteur actuel
L'ampleur du courant est proportionnelle à la force du champ magnétique. Lorsque le courant dans le solénoïde augmente, le champ magnétique et la capacité d'adsorption augmentent. Lorsque la direction actuelle change, la direction du champ magnétique change également, ce qui peut changer la direction des pôles magnétiques de l'électromagnécètre. Le chemin actuel affecte la distribution du champ magnétique. Le courant droit produit des champs magnétiques concentriques et le courant circulaire produit un champ magnétique le long de l'axe de l'axe. Sa force est liée au courant et au rayon.
Matériaux magnétiques
Le type, la forme et le degré d'aimantation des matériaux magnétiques affecteront leurs caractéristiques de champ magnétique. Les matériaux magnétiques doux sont faciles à magnétiser et à démagnétiser, et sont souvent utilisés dans les transformateurs; Les matériaux magnétiques durs ont une forte coercivité et sont difficiles à démagnétiser et sont principalement utilisés dans les aimants permanents. La forme du matériau affectera également la distribution du champ magnétique. Le champ magnétique d'un aimant à barre est concentré aux deux extrémités, tandis que le champ magnétique d'un aimant en anneau est distribué à l'intérieur et à l'extérieur. Plus le degré de magnétisation est élevé, plus la force du champ magnétique est élevée. La résistance au champ magnétique peut être ajustée en modifiant le nombre de virages et le courant de la bobine électromêtante pour répondre à différents besoins.
Facteurs externes
L'augmentation de la température affaiblira le matériau magnétique et les aimants permanents perdront le magnétisme à des températures élevées. Les champs magnétiques externes interféreront avec le champ magnétique d'origine, l'augmentation dans la même direction et la diminuer dans la direction opposée. La technologie de blindage électromagnétique utilise ce principe. La contrainte mécanique peut également modifier les caractéristiques du champ magnétique des matériaux magnétiques.
Comment voyons-nous les forces dans les champs magnétiques?
Le champ magnétique est un phénomène physique invisible qui existe autour des aimants et des conducteurs qui portent de l'électricité. Bien que nous ne puissions pas voir le champ magnétique directement avec nos yeux nus, à travers certaines méthodes expérimentales intelligentes, nous pouvons indirectement "voir" les forces dans le champ magnétique et explorer ses lois.
Utilisation d'un aimant et de clôtures en fer (visualisation des lignes de champ magnétique)
Les lignes de champs magnétiques sont un outil pour décrire la distribution des champs magnétiques et peuvent montrer intuitivement la direction et la force du champ magnétique. Lorsque les lieux de fer sont dispersés autour d'un aimant de barre, ils seront disposés le long des lignes de champ magnétique, pointant du pôle N vers le poteau S à l'extérieur et du poteau S vers le pôle N à l'intérieur, formant une boucle fermée. Les liens de fer sont denses près des pôles magnétiques, et le champ magnétique est fort, tandis que les liens de fer sont rares dans la zone centrale et le champ magnétique est faible. Ce phénomène démontre de manière vivante la loi de distribution du champ magnétique.
Observer l'interaction entre les aimants
La force entre les aimants se manifeste comme des pôles se repoussant les uns les autres et contrairement aux pôles qui s'attirent les uns les autres, et l'ampleur de la force augmente à mesure que la distance diminue. Grâce au dynamomètre à ressort, on peut observer que la lecture augmente lorsque les pôles comme les autres sont proches les uns des autres, et la lecture diminue lorsque les pôles contraires sont proches les uns des autres. La force du champ magnétique est un vecteur et sa direction est le long de la ligne reliant les pôles. L'ampleur dépend de la force du magnétisme et de la distance.
En utilisant le mouvement du courant électrique dans un champ magnétique
Lorsqu'un courant électrique est dans un champ magnétique, il est mis sur la force d'ampère, qui est perpendiculaire à la direction du courant et du champ magnétique et peut être déterminé par la règle de droite. L'ampleur de la force d'ampère est proportionnelle au courant, la résistance du champ magnétique et la longueur du fil. En utilisant ce principe, des dispositifs tels que des moteurs peuvent être fabriqués pour convertir l'énergie électrique en énergie mécanique.
Applications pratiques des champs magnétiques
Dans l'industrie électrique:Les générateurs et les transformateurs utilisent le principe de l'induction électromagnétique pour atteindre la conversion mutuelle de l'énergie électrique et de l'énergie mécanique.
Médicalfield:L'imagerie par résonance magnétique (IRM) utilise de forts champs magnétiques pour obtenir des images haute définition de l'intérieur du corps humain, ce qui en fait un outil important pour le diagnostic de la maladie.
Dansterms detRansportation:Les trains Maglev s'appuient sur la force répulsive générée par le champ magnétique pour atteindre un fonctionnement à grande vitesse sans contact, réduisant considérablement les pertes de friction.
Résumer
En tant que l'une des forces fondamentales de la nature, le champ magnétique joue un rôle important des particules microscopiques à l'échelle cosmique. Comprendre les domaines magnétiques nous aide non seulement à maîtriser les principes de la science et de la technologie modernes, mais nous aide également à mieux comprendre le monde physique dans lequel nous vivons. Avec le développement de la science des matériaux et de la technologie quantique, les perspectives d'application des domaines magnétiques en énergie, en médecine, en technologie de l'information et dans d'autres domaines seront plus larges.