Magnetische Felder

Quelle: Yong P. Chen, PhD, Department of Physics & Astronomie, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN

Magnetische Felder können durch Umzug Kosten, wie etwa ein elektrischer Strom erzeugt werden. Das Magnetfeld erzeugt durch einen Strom kann aus der Maxwell-Gleichung berechnet werden. Darüber hinaus erzeugen magnetische Objekte wie z. B. bar Magnete auch Magnetfelder aufgrund mikroskopischen Dynamik der Gebühren im Inneren des Materials. Magnetische Felder werden magnetische Kraft auf andere bewegliche Ladungen oder magnetische Objekte mit der Kraft, die proportional zum Magnetfeld ausüben. Magnetische Felder sind grundlegend für Elektromagnetismus und unterliegen viele praktische Anwendungen von Kompasse bis hin zu Magnet-Resonanz-Tomographie.

Dieses Experiment zeigen Magnetfelder, die durch eine dauerhafte Magneten sowie einen elektrischen Strom mit Hilfe von kleinen Kompassnadel Magneten, die mit Magnetfeldern ausrichten. Dieses Experiment wird auch durch die Magnetfelder von einem Strom auf einem anderen stromführenden Draht ausgeübte Kraft demonstrieren.

Magnetische Felder (gemeinhin als "B-Felder") kann durch Verschieben von Gebühren (z. B. elektrischer Strom) oder "Permanent-Magnete" erzeugt werden (z. B. gemeinsame bar-Magneten) magnetischen Materialien (z. B. Eisen). Folgt man der lokalen Richtung des magnetischen Feldes auf Spuren, die Vektor-Feldlinien, werden diese Linien (deren Tangente reflektiert die örtliche Richtung des Magnetfeldes und der Dichte der Linien spiegelt die Stärke des lokalen Magnetfeldes) als "Magnetische Feldlinien" bezeichnet. Sie sind fiktive Linien, die helfen, die Verteilung und Richtung der magnetischen Felder zu visualisieren.

Beispielsweise wird ein langes, gerades Kabel tragen eine elektrische aktuelle ich erzeugen ein Magnetfeld in den Raum: die Stärke des Magnetfeldes ist proportional zur aktuellen ich und umgekehrt proportional zum Abstand R vom Draht; und die Richtung des magnetischen Feldes (vertreten durch "Magnetische Feldlinien") wird entlang der kreisförmigen tangentiale Richtung um den Draht (bestimmt durch die so genannte "Rechte-Hand-Regel", mit dem Daumen zeigt entlang der Strom und die Finger um die Richtung des magnetischen Feldes Eisstockschießen), dargestellt in Abbildung 1a. Ein Magnetventil (machte viele Umdrehungen des aktuellen Schleifen oder Spulen) erzeugt ein magnetisches Feld, die ist auch proportional zum Strom in der Spule, und vor allem einheitliche und entlang der Längsachse im Inneren das Magnetventil (auch durch die Rechte-Hand-Regel mit Fingern Eisstockschießen um den Strom und Daumen zeigt entlang des magnetischen Feldes bestimmt), sondern breitet sich aus und zerfällt außerhalb der Magnetspule (die Magnetfeldlinien werden an das andere Ende des Magnetventils zurück) , in Figur 1 bdargestellt. Das magnetische Feld Muster produziert durch eine Bar Magnet ist ähnlich dem durch ein Magnetventil mit den magnetischen Feldlinien verlassen den Nordpol des Magneten und betreten den Südpol des Magneten, wie in Abbildung 1 cdargestellt.

Abbildung 1: Diagramm mit Magnetfeld Muster (visualisiert, indem Magnetfeldlinien) erzeugt durch eine geradlinige Strömung (ein), ein Magnetventil (b) und eine Bar Magnet (c).

Ein magnetisches Feld (B) wirken sich auf andere magnetische Objekte und bewegten Ladungen. Eine kleine Bar Magnet (wie eine Kompassnadel) in ein Magnetfeld gebracht würden dazu neigen, das lokale Magnetfeld ausgerichtet werden (d. h. die Nord-Süd-Achse der Bar Magnet ist entlang der Richtung des lokalen Magnetfeldes, die auch wie die Kompassnadel arbeitet, um die Richtung des Erdmagnetfeldes zu ermitteln). Ein magnetisches Feld wird eine Lorentzkraft auf einen bewegten Ladung ausüben. Die Kraft ist proportional zur das lokale Magnetfeld (B), die Ladung (Q) und seine Geschwindigkeit (V) und weist in eine Richtung senkrecht auf die Bewegung und das magnetische Feld. Die Lorentz-Kraft-Vektor (F) ist proportional zum Produkt Vektor zwischen v und B und ist gegeben durch:

Daher, wenn F null ist, die Richtung der Bewegung ist parallel zum Magnetfeld aber sonst würde verbiegen die Flugbahn der Bewegung der Ladung. Aufgrund der Lorentz-Kraft übt ein magnetisches Feld auch eine Kraft auf einen aktuellen Buchwert Draht (solange der Strom nicht parallel zur Richtung des magnetischen Feldes ist).

1. Magnetische Feldlinien sichtbar zu machen

1. Erhalten Sie ein Segment des geraden Leitungsdraht (mindestens ein paar cm lang) und eine DC-Stromquelle.
2. Erhalten Sie eine Platte mit einem Loch in der Mitte und mehrere kleine Kompass-Nadeln auf dem Teller, jeweils auf einen Pin und frei drehbar montiert.
3. Füttern Sie den Leitungsdraht durch das Loch, so des geraden Teils senkrecht auf der Platte steht. Anschließen Sie der Leitungsdraht an die DC-Stromquelle, wie in Abbildung 2agezeigt. Die Verbindung kann durch Kabel mit Klemmen hergestellt werden.
4. Schalten Sie die Stromquelle und versorgen Sie +5 A Strom in der Leitung zu. Beobachten Sie das Verhalten der Kompassen Nadeln.
5. Kehren Sie den Strom bis-5 A und beobachten Sie das Verhalten der Kompassnadel wieder.
6. Lösen Sie und entfernen Sie der Leitungsdraht und die Stromquelle. Zu erhalten und bringen eine permanente bar-Magnet mit seinen langen Achse Parallel an den Vorstand Ansatz die Platte von der Seite, am Nordende des Magneten näher an der Platte, wie in Abbildung 2 bdargestellt. Beobachten Sie das Verhalten der Kompassen Nadeln.
7. Drehen Sie die Ausrichtung der Bar Magnet, mit jetzt seinen Südende näher auf den Teller. Beobachten Sie das Verhalten der Kompassen Nadeln.

Abbildung 2: Diagramm Versuchsaufbauten mit (einem) ein Strom in ein gerades Segment des Drahtes, die senkrecht zur Platte und durch das mittlere Loch auf dem Teller läuft; oder (b) eine Bar Magnet in der Nähe der Platte gebracht und orientierte senkrecht zur Platte, Magnetfelder, generieren die Kompass Nadeln auf der Platte entlang der Richtung der lokalen Magnetfelder orientieren wird.

(2) die Wirkung des magnetischen Feldes

1. Erhalten Sie zwei lange und parallele Durchführung von Drähten verankert auf einem Rahmen, wie in Abbildung 3agezeigt. Bei Bedarf kann man verwenden einen Holzrahmen mit zwei parallelen Balken (oben und unten) und Anker oder kleben Sie die beiden Enden des Drahtes an den beiden Bars.
2. Verwenden Sie Kabel und Klemmen verbinden die beiden Drähte in Serie und an die Stromquelle mit dem oberen Ende einen Draht an das untere Ende des Drahtes, angeschlossen, wie in Abbildung 3agezeigt.
3. Schalten Sie die Stromquelle, damit Stromfluss wird in die gleiche Richtung (fließt von oben nach unten) in den zwei Drähten. Die beiden Drähte zu beobachten, wenn der Strom eingeschaltet ist.
4. Ausschalten und trennen der Stromversorgung, jetzt neu verbinden die zwei Drähte, so dass sie jetzt wieder in Serie zur Quelle, wobei die oberen Enden der beiden Leitungen kurzgeschlossen, verbunden sind, wie in Abbildung 3 bgezeigt.
5. Nun schalten Sie die Stromversorgung und beachten Sie, dass der Strom durch die zwei Drähte in entgegengesetzte Richtungen fließen wird. Die beiden Drähte zu beobachten.

Abbildung 3: Schematische Darstellung von zwei parallelen Drähten mit Strom in der gleichen (ein) oder (b) gegenläufig Versuchsaufbauten.

Für Schritte 1.3-1.4 bevor der Strom eingeschaltet ist, orientieren sich die Kompassen-Nadeln nach dem Zufallsprinzip. Nach dem Einschalten des Stroms, der in den Draht von oben nach unten fließt, werden der Kompassen Nadeln sich mit dem lokalen Magnetfeld in einem kreisförmigen Muster ausgerichtet, wie dargestellt in Abbildung 4a (Draufsicht). Bei der Umkehrung des Aktuelles, kehrt das magnetische Feld, wie die Ausrichtung des Zirkels, wie in Abbildung 4 bdargestellt.

Abbildung 4: Schematische Darstellung der repräsentative Muster der Kompassen Nadeln reagieren auf die Strom-induzierte Magnetfelder (ein) wenn der Strom positiv ist, wie gezeigt in das Setup, dargestellt in Abbildung 2a, wo der Strom von oben nach unten, und (b fließt) wenn der Strom (jetzt von unten nach oben) kehrt.

Für Schritte 1,6-1,7, die Kompassen-Nadeln orientieren sich entlang der lokalen Magnetfelder, erstellt von der Bar Magnet (deren Magnetfeld-Muster zeigt sich in Abbildung 1 c). Abbildung 5a (und 5 b) zeigt die repräsentative Muster der Kompassen Nadeln wenn Nordsee (oder Süd) Ende des Magneten näher an der Platte ist. Beachten Sie, dass wenn die Polarität der Bar Magnet kehrt, so wird das magnetische Feld, das es schafft, und das tun die Ausrichtung der alle Kompass Nadeln.

Abbildung 5: Schematische Darstellung repräsentative Muster der Kompassen Nadeln reagieren auf die Magnetfelder von der Bar Magnet (ein) in der Einrichtung, dargestellt in Abbildung 2 b, mit dem Nordpol des Magneten näher an der Platte; und (b) mit umgekehrt Polarität mit dem Südpol des Magneten näher an der Platte.

Abschnitt 2 die zwei Drähte, zueinander zu gewinnen, wenn die Ströme in ihnen die gleiche Richtung haben zu sehen sein und gegenseitig abstoßen, wenn die Ströme in ihnen entgegengesetzte Richtungen haben. Dies ist aufgrund der Lorentz-Kraft des magnetischen Feldes durch eine aktuelle Einwirkung auf den anderen stromführenden Draht erzeugt. Für die Situation in Abbildung 3a (Ströme in zwei Fäden haben gleichen Richtung), das Magnetfeld (B) produziert von den linken Draht in die Seite an die Position von den richtigen Draht (nach der Rechte-Hand-Regel sowie in Abbildung 4 b) zeigt, und daher die Lorentz-Kraft durch das Vektor-Produkt aus Qv (entlang der Stromrichtung) und B (so attraktiv) links zeigen wird. Die Kraft kehrt (zeigt auf der rechten Seite, so abstoßend) für die Situation in Abbildung 3 b, wenn der Strom in den richtigen Draht kehrt (Qv umkehrt). Die Richtung der Kraft durch das Magnetfeld von links, die auf den richtigen Draht Draht erstellt werden durch rote Pfeile in Abbildung 3dargestellt.

In diesem Experiment haben wir das lokale Magnetfeld Kompass Nadeln, die orient mit Magnetfeldern visualisiert. Wir haben auch gezeigt, dass die Lorentz-Kraft des magnetischen Feldes durch einen Strom auf ein weiteres fast parallel Strom produziert.

Magnetfelder spielen eine wichtige Rolle in unserem Alltag und Technik. Sie entstehen durch bar-Magneten oder "Küche Magnete" sowie Elektromagnete (Magnetspulen) gebräuchlich und werden verwendet, um andere magnetische Gegenstände abholen. Erde auch ein Magnetfeld erzeugt, und zwar wie eine Kompassnadel (die auf das lokale Magnetfeld ausgerichtet) verwendet wird, die Richtung (man beachte den magnetischen Südpol der Erde wie ein Magnet tatsächlich nahe am geographischen Nordpol ist, so dass das Magnetfeld auf der Erdoberfläche in Richtung der geografischen Nordrichtung Punkte) zu sagen. Magnetresonanztomographie (MRT), ein wichtiges Diagnosewerkzeug in der Medizin, braucht auch ein starkes Magnetfeld zu bedienen.

Der Autor des Experiments anerkennt die Unterstützung von Gary Hudson für die Vorbereitung des Materials und Chuanhsun Li für den Nachweis der Schritte in dem Video.