Pole magnetyczne, zwane również polem wektorowym, to oddziaływanie magnetyczne na poruszające się ładunki elektryczne, materiały magnetyczne i prądy elektryczne.

Pole magnetyczne zmusza naładowane elektrycznie cząstki do poruszania się po ścieżce kołowej lub spiralnej, a naładowane cząstki wywierają siłę prostopadłą do ich własnej prędkości i pola magnetycznego. Pole magnetyczne można wyrazić jako obszar wokół magnesu, w którym odczuwany jest efekt magnetyzmu.

Pole magnetyczne może być oznaczane jako B lub H. Matematycznie jest ono oznaczane przez wielkości znane jako wektory, które mają zarówno kierunek, jak i wielkość.

Dwa różne wektory pomagają reprezentować pole magnetyczne: gęstość strumienia magnetycznego (lub indukcja magnetyczna) i natężenie pola magnetycznego (lub natężenie pola magnetycznego).

Jednostką pola magnetycznego jest Tesla, a jego jednostką bazową jest (Newton.Second)/Coulomb. Wiadomo, że linie pola magnetycznego nie przecinają się. W rzeczywistości linie magnetyczne tworzą zamknięte pętle, zaczynając od bieguna północnego i kończąc na biegunie południowym. Gęstość linii pola ogólnie wskazuje na siłę pola.

Co to jest pole magnetyczne?

• Pole magnetyczne jest polem tworzonym przez ruch ładunków elektrycznych.
• Pole magnetyczne można zdefiniować jako obszar wokół magnesu, w którym odczuwalny jest efekt magnetyzmu.
• Jest to pole siłowe, które wywiera siłę na materiały takie jak żelazo, gdy zostanie umieszczone w jego pobliżu.
• Pola magnetyczne nie wymagają medium do propagacji; mogą nawet propagować się w próżni.
• Pole magnetyczne ma większą zdolność magazynowania energii niż pole elektryczne, co odróżnia je od pola elektrycznego i pozwala na jego zastosowanie w dowolnym urządzeniu elektromechanicznym, takim jak transformatory, silniki i generatory.

Pole magnetyczne

• Pole magnetyczne to pole wektorowe, zwykle zlokalizowane w pobliżu magnesu, prądu elektrycznego lub zmieniającego się pola elektrycznego, w którym wykrywalne są siły magnetyczne.
• Pole magnetyczne i pole elektryczne są generalnie dwoma powiązanymi ze sobą pojęciami i są zasadniczo częścią siły elektromagnetycznej.

Często zadawane pytania

Jak przedstawić linie pola magnetycznego magnesu sztabkowego?

W przypadku magnesu sztabkowego linie pola wznoszą się z bieguna północnego i wchodzą do magnesu na biegunie południowym. Linie te następnie przenikają przez magnes do bieguna północnego, gdzie pojawiają się ponownie.

Historia pola magnetycznego

Pole magnetyczne zostało po raz pierwszy zbadane w 1269 roku, kiedy francuski uczony Petrus Peregrinus de Maricourt użył żelaznych igieł do mapowania pola magnetycznego na powierzchni sferycznego magnesu.

Zauważył, że powstałe linie pola przecinają się w dwóch punktach. Punkty te zostały nazwane "biegunami". Po tej obserwacji doszedł do wniosku, że bez względu na to, jak drobno magnes jest przycięty, zawsze ma biegun północny i południowy.

Zauważył, że powstałe linie pola przecinają się w dwóch punktach.

William Gilbert twierdził trzy wieki później, że Ziemia jest magnesem.

Według Johna Mitchella, angielskiego duchownego i filozofa, bieguny magnetyczne przyciągają się i odpychają; wysunął to twierdzenie w 1750 roku.

Charles-Augustin de Coulomb eksperymentalnie zweryfikował pole magnetyczne Ziemi w 1785 roku.

Następnie, w XIX wieku, francuski matematyk i geometra Simeon Denis Poisson opracował pierwszy model pola magnetycznego, który opublikował w 1824 roku.

W XIX wieku nowe odkrycia podważyły wcześniej przyjęte poglądy.

Hans Christian Orsted, duński fizyk i chemik, odkrył w 1819 roku, że prąd elektryczny wytwarza wokół siebie pole magnetyczne.

W 1825 roku André-Marie Ampère zaproponował model magnetyzmu, w którym siła magnetyczna była spowodowana przez stale płynące pętle prądu, a nie dipole ładunku magnetycznego.

Faraday, angielski naukowiec, wykazał w 1831 roku, że zmieniające się pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne. Odkrył indukcję elektromagnetyczną.

James Clerk Maxwell opublikował teorie dotyczące elektryczności i magnetyzmu w latach 1861-1865. Opracowano równania Maxwella. Równania te szczegółowo opisywały interakcję elektryczności i magnetyzmu.

Ilustracja pola magnetycznego

Typowo, pole magnetyczne może być reprezentowane na dwa sposoby.

• Wektor pola magnetycznego
• Linie pola magnetycznego

Wektor pola magnetycznego

Pole magnetyczne jest opisywane matematycznie jako pole wektorowe. Przyjmuje się, że pole magnetyczne ma zarówno wielkość, jak i kierunek. Pole wektorowe może być reprezentowane jako siatka wektorów. Długość wektora jest określona przez siłę przyciągania magnetycznego.

Linie pola magnetycznego

Linie pola magnetycznego to wyimaginowane linie otaczające magnes. Gęstość linii pola wskazuje na jego rozmiar. Pole magnetyczne jest najsilniejsze wokół południowego i północnego bieguna magnesu i słabnie w miarę oddalania się od biegunów.

Eksperyment z liniami pola magnetycznego

Ogólnie pole magnetyczne jest najsilniejsze wokół biegunów północnego i południowego, a jego siła słabnie w miarę oddalania się od nich. Poniższy eksperyment:

Co będzie potrzebne

Arkusz białego papieru, magnes sztabkowy, opiłki żelaza

Eksperyment

-<! Połóż na stole kartkę białego papieru i umieść pod nią na środku magnes sztabkowy.

-<! Rozsyp opiłki żelaza wokół magnesu.

-<! Dotknij delikatnie papieru.

-<! Można zauważyć, że opiłki żelaza układają się w precyzyjny wzór, który odwzorowuje pole magnesu.

-<! Jeśli przyjrzysz się uważnie tym opiłkom, zobaczysz, że opiłki żelaza gromadzą się wokół magnesu najbardziej w obszarze biegunów, ale koncentracja maleje, im dalej znajdują się od biegunów.

Źródło:QuantumBoffin

Właściwości linii pola magnetycznego

Niektóre z ważnych właściwości linii pola magnetycznego obejmują:

• Linie pola magnetycznego nigdy się nie przecinają.
• Porusza się wzdłuż ścieżki najmniejszego oporu między przeciwnymi biegunami magnetycznymi. Linie pola magnetycznego magnesu sztabkowego poruszają się w zamkniętych pętlach od jednego bieguna do drugiego.
• Linie pola magnetycznego będą tej samej długości.
• Gęstość linii energetycznych zmniejsza się, gdy przechodzą one z regionu o wyższej przepuszczalności do regionu o niższej przepuszczalności.
• Linie poruszają się od bieguna południowego do północnego w materialnym polu magnetycznym, podczas gdy w powietrzu płyną od bieguna północnego do południowego. Gęstość pola magnetycznego zmienia się wraz z odległością od bieguna. Jego gęstość maleje wraz z oddalaniem się od bieguna.

Jak narysować linie pola magnetycznego

• Magnetyczne linie sił można narysować za pomocą kompasu, magnesu sztabkowego i kartki papieru.
• Najpierw umieść papier na desce kreślarskiej. Umieść magnes sztabkowy na środku i zaznacz go ołówkiem.
• Trzymaj kompas blisko jednego z biegunów magnesu. Upewnij się, że w pobliżu nie znajduje się żaden inny materiał magnetyczny.
• Możesz zobaczyć strzałkę kompasu wskazującą w wielu kierunkach. Zrób znak kropki w tym kierunku.
• Usuń kompas z tego punktu i umieść go na kropce tak, aby podstawa strzałki znajdowała się w kropce.
• Zrób nową kropkę w kierunku, w którym wskazuje teraz strzałka kompasu.
• Powtarzaj tę metodę, aż kompas trafi na przeciwległy biegun magnesu. Połącz kropki. Wróć do poprzedniej pozycji i powtórz proces od nowej lokalizacji.
• Po narysowaniu kilku linii widać, że linie tworzą zamkniętą pętlę, która wydaje się zaczynać na jednym biegunie magnesu i kończyć na drugim. W ten sposób rysowane są linie pola magnetycznego.
• Linie pola magnetycznego będą się różnić w zależności od rodzaju użytych magnesów.

Źródło: vt.physics

Jak powstaje pole magnetyczne?

Pole magnetyczne może być wytwarzane nie tylko przez magnes, ale także przez poruszające się ładunki lub prądy elektryczne. Wszyscy wiemy, że materia składa się z małych kawałków zwanych atomami. Jądro atomu składa się z protonów i neutronów, a elektrony krążą wokół niego.

Pole magnetyczne jest wytwarzane przez rotację i krążenie protonów i neutronów lub jądra atomu. Kierunek pola magnetycznego jest określany przez kierunki orbit i rotacji. Pole magnetyczne jest matematycznie reprezentowane przez literę "B." Tesla to nazwa jego jednostki (T).

Siła pola magnetycznego

• Siła pola magnetycznego może być również definiowana jako natężenie pola magnetycznego lub intensywność pola magnetycznego.
• Natężenie pola magnetycznego może być oznaczone wektorem H.
• Natężenie pola magnetycznego można zdefiniować jako stosunek wymagany do wytworzenia określonej gęstości strumienia (B) w danym materiale na jednostkę długości tego materiału.
• Siła pola magnetycznego może być mierzona w jednostkach amper/metr.

Wzór na natężenie pola magnetycznego można przedstawić jako:

H = B/μ - M

Gdzie:

B = gęstość strumienia magnetycznego

M = namagnesowanie

μ = przenikalność magnetyczna

Tesla to jednostka natężenia pola magnetycznego. Jedna Tesla (1 T) może być wyrażona jako natężenie pola wytwarzające jeden niuton siły na amper prądu na metr przewodnika.

Jak jeszcze można wytworzyć pole magnetyczne?

Pole magnetyczne może powstać, gdy ładunek jest w ruchu. Istnieją dwa inne sposoby ułożenia ładunku tak, aby był w ruchu i dalej generował użyteczne pole magnetyczne.

1. Pole magnetyczne może być generowane zawsze, gdy ładunek elektryczny jest w ruchu.

2. Magnesy trwałe działają poprzez ruch elektronów wokół jąder. Tylko niektóre materiały mogą być wytwarzane jako magnesy, a niektóre z nich są znacznie silniejsze od innych.

Pole magnetyczne Ziemi

Sir William Gilbert po raz pierwszy zmapował pole magnetyczne Ziemi w 1600 roku. Na podstawie swoich testów odkrył, że Ziemia ma właściwości magnetyczne i pole magnetyczne. Jeśli magnes zostanie luźno zawieszony i pozwoli mu się obracać w pozycji poziomej, automatycznie ustawi się i zatrzyma w kierunku północ-południe.

Magnes zostanie ustawiony tak, aby biegun północny był przyciągany do geograficznego południa, a biegun południowy do geograficznej północy.

Hipoteza dotycząca źródła ziemskiego pola magnetycznego

1. Jądro Ziemi jest gorącą stopioną cieczą, która zawiera jony. Jony te krążą wewnątrz cieczy w postaci pętli prądowych i tworzą pole magnetyczne.

2. Ziemia obraca się wokół własnej osi, a materia na planecie składa się z naładowanych cząstek. Te naładowane cząstki w postaci pętli prądowych również obracają się wokół osi Ziemi i są odpowiedzialne za tworzenie pola magnetycznego.

3. Zjonizowane gazy tworzą zewnętrzną warstwę Ziemi. Kiedy Ziemia się obraca, ruch jonów generuje prąd elektryczny, który skutkuje powstaniem pola magnetycznego.

Ale możesz dowiedzieć się więcej o polu magnetycznym Ziemi w osobnym artykule.

Źródła:

Fizyka Pola Magnetycznego na stronie UK Faculty of Physics: https://physics.mff.cuni.cz/kfpp/prednasky/fmp/

Artykuły dotyczące pola magnetycznego na stronie Vesmír.cz: https://vesmir.cz/tag/magneticke-pole/

Pole magnetyczne na Wikipedii: https://cs.wikipedia.org/wiki/Magnetick%C3%A9_pole

Wykład online na temat pola magnetycznego autorstwa Michela van Biezena na YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=TKTNZBGD22w