میدان مغناطیسی

میدان مغناطیسی از تک بارها، سیم های حامل جریان، جهت گیری دوقطبی های مغناطیسی (آهنرباهای دایمی)، جریان سیال رسانا (میدان مغناطیسی زمین) ایجاد می شود.
در الکترودینامیکِ نسبیتی، تفاوتی میان میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی وجود ندارد و میدان الکترومغناطیسی، اثر بار الکتریکی در اطراف آن تعریف می شود. چون حرکت، کاملا نسبی در نظر گرفته می شود و نمی توان بین بار ثابت و بار متحرک تفاوتی قائل شد (متحرک بودن یا ثابت بودن برای بیننده های گوناگون تفاوت می کند). نیروی حاصل از این میدان را نیروی لورنتس می خوانند.

به عبارت دیگر، میدان مغناطیسی میدانی است که توسط یک جسم مغناطیسی یا ذرات یا با تغییر میدان الکتریکی تولید شده است و توسط نیرویی که روی دیگر مواد مغناطیسی یا حرکت بار الکتریکی اعمال می شود شناسایی می شود. میدان مغناطیسی در هر نقطه داده شده توسط هر دو پارامتر جهت و شدت (یا مقاومت) مشخص می شود که به عنوان یک میدان برداری شناخته می شود. اشیائی که خود میدان مغناطیسی تولید می کنند آهن ربا نامیده می شوند. آهن رباها توسط نیروها و گشتاورهایی که توسط میدان های مغناطیسی تولید می کنند بر یکدیگر تأثیر می گذارند. آهن ربا معمولا خود را به سوی میدان مغناطیسی موضعی تراز می کند. قطب نماها از این اثر برای اندازه گیری جهت میدان مغناطیسی موضعی، تولید شده توسط زمین استفاده می کنند. ریاضیات پیچیده که میدان مغناطیسی یک چیز را نشان می دهد با بکارگیری خطوط میدان مغناطیسی نشان داده می شوند. این خطوط صرفا یک مفهوم ریاضی است و به صورت فیزیکی وجود ندارد. با این حال، برخی پدیده های فیزیکی از قبیل تراز شدن براده های آهن در یک میدان مغناطیسی، به مانند خطوط در یک الگوی مشابه با خطوط فرضی میدان مغناطیسی از جسم را می سازد. جهت خطوط میدان مغناطیسی که تراز دل خواه برای براده آهنی که بر روی کاغذی که بر روی یک نوار آهن ربا قرار دارد، پاشیده شده است. نشان می دهد. ربایش متقابل قطب مخالف براده آهن به تشکیل خوشه های دراز از براده در امتداد خطوط میدان انجامیده است.

جریان الکتریسیته و انتقال شار الکتریکی میدان مغناطیسی (مِگناتیک) می سازد. حتی میدان مغناطیسی از یک ماده مغناطیسی را می توان به عنوان مدل حرکت شار الکتریکی الگو گرفت. میدان مغناطیسی نیز بر روی حرکت شار الکتریکی نیرو وارد می کند. میدان های مغناطیسی در داخل و با توجه به مواد مغناطیسی می تواند کاملا پیچیده باشد. میدان مغناطیسی با مواد دیگر اثر متقابلی دارد، بنابراین میدان مغناطیسی متقابلی با مواد دیگر ایجاد می کند. شرح میدان مغناطیسی در داخل آهن ربا شامل دو رشته جداگانه است که می تواند هر دو به نام میدان مغناطیسی، میدان مغناطیسی B و میدان مغناطیسی H نامیده شود. این ها توسط یک میدان سوم که توصیف حالت مغناطیسی مواد مغناطیسی در درون آن هاست، که مغناطیس کنندگی نامیده می شود تعریف می شود. انرژی مورد نیاز برای ساخت میدان مغناطیسی می تواند زمانی که میدان از بین می رود اصلاح شود؛ و این انرژی می تواند، به عنوان «ذخیره شده» در میدان مغناطیسی در نظر گرفته شود. انرژی ذخیره شده در مواد مغناطیسی به مقادیر B و H بستگی دارد. میدان الکتریکی میدانی است که توسط شار الکتریکی ایجاد شده است و این میدان ها به طور تنگاتنگی به میدان های مغناطیسی مربوط می شوند؛ تغییر در میدان مغناطیسی، میدان الکتریکی و تغییر در میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی تولید می کند. ارتباط کامل بین میدان های الکتریکی و مغناطیسی و جریان و شار که آن ها را ایجاد می کنند، توسط مجموعه ای از معادلات ماکسول توصیف می شوند. با در نظرگرفتن این ارتباط خاص، میدان های الکتریکی و مغناطیسی دو زمینه پیوسته از یک موضوع یکسان، به نام میدان الکترومغناطیسی هستند. یک میدان الکتریکی خالص، در یک چارچوب مرجع، به عنوان ترکیبی از هر دو میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی که در یک چارچوب مرجع حرکت می کند، دیده می شود. در فیزیک کوانتومی، میدان مغناطیسی خالص (و الکتریکی) را توسط اثرات ناشی از فوتون های مجازی می توان دریافت و در زبان مدل استاندارد، نیروی الکترومغناطیسی در تمام مظاهر توسط فوتون واقع می شود.

میدان های مغناطیسی در جوامع کهن و نوین استفاده های بسیار داشته است. زمین میدان مغناطیسی خود را می سازد؛ که در جهت یابی که توسط قطب شمال قطب نما که به سمت قطب جنوب میدان مغناطیسی زمین منحرف شده است، بسیار حایز اهمیت است. از چرخش میدان مغناطیسی در موتور الکتریکی و ژنراتور بهره گرفته شده است که باعث تولید برق می شود.

B و H

در میدان مغناطیسی برای دو میدان برداری مختلف استفاده می شود، که میدان های B و H نامیده می شوند. در هر مورد که هر دوی آن ها استفاده شده اند از میدان مغناطیسی نام برده شده است.

خارج از مواد، میدان های B و H غیرقابل تشخیص هستند. (آن ها تنها در واحدهای خود و مقدار، متفاوتند و در تغییرات زمانی و مکانی تفاوتی ندارند) تنها در داخل ماده ای که تفاوت مهم است. میدان B به جریان بستگی دارد (هم ماکروسکوپی وهم میکروسکوپی مانند حرکت الکترون به دور هسته آن). در حالی که میدان H به جریان های ماکروسکوپی و برداری که به پدیده شار مغناطیسی بسیار نزدیک است، بستگی دارد.

میدان B را می توان در بسیاری جهات مشابه، بر اساس اثرات آن بر روی محیط اطراف آن تعریف کرد. به عنوان مثال، یک ذره با بار الکتریکی q و حرکت در میدان B با سرعت v، نیرویی به نام F ایجاد می کند که نیروی لورنتس نامیده می شود. در واحد SI، نیروی لورنتس برابر است با:

که در آن × بردار ضرب خارجی است. یک تعریف متناوب کاری از میدان B را می توان از لحاظ گشتاور دو قطبی مغناطیسی در میدان B ارائه داد:

برای دو قطبی مغناطیسی لحظه ای m (در آمپر متر مربع). میدان B در واحد SI تسلا و در واحد cgs گاوس نامیده می شود. (۱ تسلا = ۱۰۰۰۰ گاوس). در واحد SI تسلا برابر است با: (کولن × متر) / (نیوتن × ثانیه) همان طور که از قسمت مغناطیسی قانون نیروی لورنتس می توان دید:

به عنوان اصلاحی برای B به علت میدان مغناطیسی تولید شده توسط مواد واسطه خواهد بود، به طوری که (در SI):

که در آن M مغناطیسی شدن ماده و μ0 نفوذپذیری مغناطیسی در فضای خالی است (یا پایداری مغناطیسی). میدان H با یکای آمپر بر متر در SI.(A/m) و اورستد (Oe) در cgs اندازه گیری می شود. در موادی که M متناسب با B است، رابطه بین B و H را می توان به فرم ساده تر نوشت: H = B/μ که در آن μ پارامتر وابسته به مواد به نام نفوذپذیری است. در فضای خالی، هیچ مغناطیسی وجود ندارد M به طوری که H = B/μ هر چند، برای بسیاری از مواد، هیچ رابطه ساده ای بین B و M وجود ندارد به عنوان مثال، مواد فِرّومغناطیسی و ابررساناها خاصیت مغناطیسی شدنی دارند که یک تابع چند ارزشی از B مربوط به پسماند مغناطیسی است.

نیروی الکترومغناطیسی سیم حامل جریان

اگر سیمی که حامل جریان الکتریکی است در یک میدان مغناطیسی قرار گیرد نیرویی بر این سیم وارد می شود. این نیرو با طول سیم (L) و چگالی شار مغناطیسی (B) رابطه مستقیم دارد. این رابطه به صورت:

نشان داده می شود؛ بنابراین رابطه: اگر سیم در راستای میدان مغناطیسی قرار گیرد نیروی وارد بر آن صفر است زیرا α=0° Sin0°=0 یا α=۱۸۰° Sin180°=0 در نتیجه 0=F است. اگر سیم به صورت عمود قرار گیرد نیروی وارد بر آن حداکثر است. اگر سیم شکل نامنظمی داشته باشد آن را به دو مؤلفه (عمودی و افقی) تقسیم می کنیم و از مؤلفه عمودی استفاده می کنیم. برای پیدا کردن جهت میدان بر اساس قاعده دست راست عمل می شود.

میدان مغناطیسی و آهن ربای دائم

آهنرباهای دائم اشیائی هستند که میدان های مغناطیسی مداوم خود را تولید می کنند. همه آهنرباهای دائم دو قطب شمال و جنوب دارند. آن ها از مواد فِرّومغناطیسی مانند آهن و نیکل که مغناطیسی شده اند ساخته شده اند.
همه آهنرباها جفت شمال و جنوب دارند. علاوه بر این، آهنربای کوچک داخل آهنربا بزرگتر در جهت مخالف به آنچه از میدان H انتظار می رود پیچیده می شود. شرح فیزیکی صحیح تر مغناطیسی شدن شامل حلقه های اتمی جریان که در سراسر آهنربا توزیع شده است، می باشد. در این مدل، یک آهنربا از بسیاری از آهنرباهای کوچک، به نام دو قطبی مغناطیسی که هر کدام یک جفت قطب شمال و جنوب مربوط به جریان الکتریکی دارند، تشکیل شده است. هنگامی که در ترکیب آن ها به صورت یک آهنربا که قدرت مغناطیسی دارد m. که برای راحتی محاسبات ریاضی است، همچنین با توجه به جهت متناظر با جهت گیری های میدان مغناطیسی آن را تعریف می کنند. برای آهنرباهای ساده، m در جهت خط از جنوب تا قطب شمال آهن ربا کشیده شده است. نیروی گرانش بین دو آهنربا کاملا پیچیده و وابسته به قدرت و جهت گیری هر دو آهنربا و وابسته به مسافت و و جهت آهنرباهای متصل به یکدیگر. است. نیرو حساس به چرخش از آهن ربا به علت گشتاور مغناطیسی است. نیروی هر آهنربا در هر لحظه بستگی به خود آهنربا و میدان مغناطیسی B از سوی دیگر، دارد. میدان B یک آهنربای کوچک بسیار پیچیده تر است. در ریاضیات، نیرو در یک آهنربای که یک مغناطیسی شدن لحظه ای m، مربوط به میدان مغناطیسی B دارد برابر است با:

که در آن∇ شیب تغییرات مقدار m.B در هر واحد از فاصله و جهت است.

منبع: ویکی پدیا