Magnetfelt: Definition, egenskaber, måleenheder og anvendelser

Få en klar forklaring på magnetfelt: definition, egenskaber, måleenheder (tesla/gauss) og praktiske anvendelser inden for fysik, elektronik og elektromagnetisme.

Forfatter: Leandro Alegsa

Det magnetiske felt er det område omkring en magnet, hvor der er magnetisk kraft. Elektriske ladninger i bevægelse kan skabe magnetfelter. Magnetiske felter kan normalt ses ved hjælp af magnetiske fluxlinjer. Det magnetiske felts retning fremgår til enhver tid af retningen af de magnetiske fluxlinjer. En magnets styrke har noget at gøre med afstandene mellem de magnetiske fluxlinjer. Jo tættere fluxlinjerne er på hinanden, jo stærkere er magneten. Jo længere væk de er, jo svagere er de. Fluxlinjerne kan ses ved at lægge jernfilspåner over en magnet. Jernspånerne bevæger sig og arrangerer sig i linjerne. Magnetfelter giver kraft til andre partikler, der rører ved magnetfeltet.

I fysik er det magnetiske felt et felt, der går gennem rummet, og som med en magnetisk kraft flytter elektriske ladninger og magnetiske dipoler. Magnetiske felter er omkring elektriske strømme, magnetiske dipoler og skiftende elektriske felter.

Når de er placeret i et magnetfelt, er de magnetiske dipoler på én linje med deres akser parallelle med feltlinjerne, som det ses, når jernspåner er i nærvær af en magnet. Magnetiske felter har også deres egen energi og impuls, med en energitæthed, der er proportional med kvadratet på feltets intensitet. Det magnetiske felt måles i enhederne teslas (SI-enheder) eller gauss (cgs-enheder).

Der er nogle bemærkelsesværdige former for magnetfelt. For fysik om magnetiske materialer, se magnetisme og magnet, og mere specifikt diamagnetisme. For magnetiske felter, der opstår ved at ændre elektriske felter, se elektromagnetisme.

Det elektriske felt og det magnetiske felt er komponenter af det elektromagnetiske felt.

Loven om elektromagnetisme blev grundlagt af Michael Faraday.

Egenskaber og grundlæggende love

Magnetfeltet beskrives ofte med vektorfeltet B (magnetisk fluxdensitet) eller H (magnetfeltstyrke). Nogle centrale punkter:

  • Retning: Feltlinjerne viser retningen af B; de går fra nordpol til sydpol udenfor en magnet.
  • Ingen monopoler: Magnetiske monopoler er ikke observeret i naturen — mathematiske udtryk siger, at divergensen af B er nul (∇·B = 0), hvilket betyder at feltlinjerne danner lukkede kurver.
  • Kilder: Magnetfelter skabes af elektriske strømme og af ændringer i elektriske felter. I materialer kan interne magnetiske dipoler (f.eks. elektronspin) også skabe kraftige felter ved ferromagnetisme.
  • Kraft på ladninger: En elektrisk ladning q, der bevæger sig med hastighed v i et magnetfelt B, oplever Lorentz‑kraften F = q (v × B), som virker vinkelret på både v og B.
  • Energitethed: Magnetfeltets energitæthed i vakuum er u = B²/(2μ0), hvor μ0 er permeabiliteten i vakuum. Feltet bærer altså energi og kan udveksles med andre systemer.

Måleenheder og måling

Det magnetiske felt måles oftest i teslas (T) i SI-systemet. I det ældre cgs-system bruges gauss (G). Omregning: 1 T = 10⁴ G.

Typiske størrelsesordener:

  • Jordens magnetfelt: ca. 25–65 μT (0,25–0,65 G).
  • Kraftige laboratoriemagneter: flere tesla (f.eks. 1–10 T eller mere i forskningsanlæg).

Instrumenter til måling af magnetfelter inkluderer Hall-effekt-sensorer, fluxgate-magnetometre, SQUID (superledende kvanteinterferometre) til ekstremt følsomme målinger, og optiske magnetometre baseret på atomare resonanser.

Kilder til magnetfelter

De vigtigste kilder er:

  • Elektriske strømme: En leder med strøm producerer et magnetfelt omkring sig (Biot–Savart‑lov og Ampères kredslov beskriver dette matematisk).
  • Magnetiske dipoler: Små magnetiske momenter i materialer (fx elektronspin og orbital bevægelse) summeres i ferromagnetiske stoffer og kan give stærke feltområder.
  • Skiftende elektriske felter: Ifølge Maxwell danner tidsvarierende elektriske felter også magnetfelter (Ampère–Maxwell‑termen).

Visualisering og eksperimenter

Magnetiske fluxlinjer kan ses i praksis ved at strø jernfilspåner over en magnet, hvor magnetiske fluxlinjer tydeligt fremtræder. Retningen af feltet vises som beskrevet i teksten: feltlinjer peger i feltets retning, og tættere linjer angiver højere feltstyrke.

En simpel tommelfingerregel er højrehåndsreglen: peger tommelfingeren i strømmenes retning, så krummer fingrene omkring lederen i retning af det magnetiske felt.

Materialer og magnetisk opførsel

Materialer reagerer forskelligt i magnetfelter:

  • Diamagnetiske materialer: svagt frastødende (f.eks. bismut, grafit), se diamagnetisme.
  • Paramagnetiske materialer: svagt tiltrækkende og kun i nærvær af et eksternt felt.
  • Ferromagnetiske materialer: stærkt tiltrækkende, kan bevare magnetisering (f.eks. jern, nikkel, kobolt), dette udnyttes i magneter og lagringsteknologi.

Anvendelser

Magnetfelter har mange praktiske og tekniske anvendelser:

  • Elektriske motorer og generatorer – omdanner elektrisk energi til mekanisk energi og omvendt.
  • MRI (magnetisk resonansbilleddannelse) i medicin – bruger stærke, homogene magnetfelter til at få detaljerede billeder af kroppen.
  • Maglev-tog – magnetisk levitation til friktionfri transport.
  • Dataopbevaring – magnetiske medier (harddiske, bånd) gemmer information ved magnetisering af små områder.
  • Sensorer og navigationsudstyr – kompasser, magnetometre og industrielle sensorer.
  • Partikkelfysik og acceleratorexperimenter – magnetfelter bruges til at styre og fokusere ladede partikler.

Teoretisk ramme og videre læsning

Magnetfeltet er en del af det samlede elektromagnetiske felt. Den kvantitative beskrivelse kommer fra Maxwell’s ligninger, Faradays eksperimenter og videre udvikling inden for klassisk og kvantemekanisk teori. For mere om feltets opførsel i materialer og detaljer om magnetisme og magnettyper, kan du følge de link, der er angivet i teksten.

Opsummering: Magnetfeltet er et vektorfelt skabt af strømme, magnetiske dipoler og skiftende elektriske felter. Det påvirker bevægelige ladninger og dipoler, kan måles i tesla eller gauss, indeholder energi og anvendes i et væld af teknologier fra medicin til transport.

H-felt

Fysikere kan sige, at kraften og drejningsmomentet mellem to magneter skyldes, at de magnetiske poler frastøder eller tiltrækker hinanden. Dette svarer til Coulomb-styrken, der frastøder de samme elektriske ladninger eller tiltrækker modsatrettede elektriske ladninger. I denne model frembringes et magnetisk H-felt af magnetiske ladninger, der er "smurt" ud omkring hver pol. H-feltet er altså ligesom det elektriske felt E, der starter ved en positiv elektrisk ladning og slutter ved en negativ elektrisk ladning. I nærheden af nordpolen peger alle H-feltlinjerne væk fra nordpolen (uanset om de er inde i magneten eller ude), mens alle H-feltlinjerne i nærheden af sydpolen (uanset om de er inde i magneten eller ude) peger mod sydpolen. Nordpolen føler således en kraft i retning af H-feltet, mens kraften på sydpolen er modsat H-feltet.

I den magnetiske polmodel er den elementære magnetiske dipol m dannet af to modsatrettede magnetiske poler med polstyrke q, der er madskilt af en meget lille afstand d, således at m = q md.

Desværre kan de magnetiske poler ikke eksistere adskilt fra hinanden. Alle magneter har nord/syd-par, som ikke kan adskilles uden at skabe to magneter, der hver har et nord/syd-par. Magnetpoler er heller ikke med til at tage højde for den magnetisme, der opstår ved elektriske strømme, og heller ikke for den kraft, som et magnetfelt udøver på elektriske ladninger i bevægelse.

Magnetpolmodellen : To modsatrettede poler, nord (+) og syd (-), der er adskilt af en afstand d, producerer et H-felt (linjer).Zoom
Magnetpolmodellen : To modsatrettede poler, nord (+) og syd (-), der er adskilt af en afstand d, producerer et H-felt (linjer).

H-felt og magnetiske materialer

H-feltet er defineret som:

H ≡ B μ 0 - M , {\displaystyle \mathbf {H} \ \equiv \ \ {\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}}-\mathbf {M}}-\mathbf {M} ,} ({\displaystyle \mathbf {H} \ \equiv \ {\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}-\mathbf {M} ,}definition af H i SI-enheder)

Med denne definition bliver Ampere's lov til:

∮ H ⋅ d ℓ = ∮ ( B μ 0 - M ) ⋅ d ℓ = I t o t - I b = I f {\displaystyle \point \mathbf {H} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}=\punkt \left({\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}}-\mathbf {M} \right)\cdot d{\boldsymbol {\ell }}=I_{\mathrm {tot} }-I_{{\mathrm {b}} }=I_{{\mathrm {f}} }} {\displaystyle \oint \mathbf {H} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}=\oint \left({\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}-\mathbf {M} \right)\cdot d{\boldsymbol {\ell }}=I_{\mathrm {tot} }-I_{\mathrm {b} }=I_{\mathrm {f} }}

hvor If repræsenterer den "frie strøm", der er omsluttet af løkken, således at linjeintegralet af H slet ikke afhænger af de bundne strømme. For den differentielle ækvivalent af denne ligning se Maxwell's ligninger. Ampere's lov fører til randbetingelsen:

H 1 , ∥ - H 2 , ∥ = K f , {\displaystyle H_{1,\parallel }-H_{2,\parallel }=\mathbf {K} _{\text{f}},} {\displaystyle H_{1,\parallel }-H_{2,\parallel }=\mathbf {K} _{\text{f}},}

hvor Kf er den frie overfladestrømtæthed.

På samme måde er et overfladeintegral af H over en lukket overflade uafhængig af de frie strømme og udpeger de "magnetiske ladninger" inden for denne lukkede overflade:

∮ S μ 0 H ⋅ d A = ∮ S ( B - μ 0 M ) ⋅ d A = ( 0 - ( - ( - q M ) ) = q M , {\displaystyle \oint _{S}\mu _{0}\mathbf {H} \cdot \mathrm {d} \mathbf {A} =\point _{S}(\mathbf {B} -\mu _{0}\mathbf {M} )\cdot \mathrm {d} \mathbf {A} =(0-(-q_{M}))=q_{M},} {\displaystyle \oint _{S}\mu _{0}\mathbf {H} \cdot \mathrm {d} \mathbf {A} =\oint _{S}(\mathbf {B} -\mu _{0}\mathbf {M} )\cdot \mathrm {d} \mathbf {A} =(0-(-q_{M}))=q_{M},}

som ikke afhænger af de frie strømme.

H-feltet kan derfor opdeles i to uafhængige dele:

H = H 0 + H d , {\displaystyle \mathbf {H} =\mathbf {H} _{0}+\mathbf {H} _{d},\,} {\displaystyle \mathbf {H} =\mathbf {H} _{0}+\mathbf {H} _{d},\,}

hvor H0 er det påførte magnetfelt, der kun skyldes de frie strømme, og Hd er det afmagnetiserende felt, der kun skyldes de bundne strømme.

Det magnetiske H-felt omformulerer derfor den bundne strøm i form af "magnetiske ladninger". H-feltlinjerne løber kun rundt om den "frie strøm" og begynder og slutter i modsætning til det magnetiske B-felt også nær de magnetiske poler.

Relaterede sider

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er et magnetfelt?


A: Et magnetfelt er et område omkring en magnet, hvor der er magnetisk kraft, som er skabt af bevægelige elektriske ladninger.

Spørgsmål: Hvordan kan man bestemme styrken af en magnet?


A: En magnets styrke kan bestemmes ved at se på afstandene mellem de magnetiske fluxlinjer - jo tættere de er på hinanden, jo stærkere er magneten.

Spørgsmål: Hvad sker der, når partikler kommer i berøring med et magnetfelt?


A: Når partikler berører et magnetfelt, får de energi fra det.

Spørgsmål: Hvad betyder det, at noget har sin egen energi og impuls?


A: At have sin egen energi og dynamik betyder, at noget har sine egne egenskaber, der gør det muligt for det at bevæge sig eller handle uafhængigt af andre genstande eller kræfter.

Spørgsmål: Hvordan måles styrken af et magnetfelt?


A: Styrken af et magnetfelt måles i teslas-enheder (SI-enheder) eller gauss-enheder (cgs-enheder).

Spørgsmål: Hvem grundlagde loven om elektromagnetisme?


Svar: Michael Faraday grundlagde loven om elektromagnetisme.

Spørgsmål: Hvad sker der, når jernspåner anbringes i nærheden af en magnet?


A: Når jernspåner anbringes i nærheden af en magnet, bevæger de sig og arrangerer sig i fluxlinjer, der viser magnetfeltets retning og styrke.


Søge
AlegsaOnline.com - 2020 / 2025 - License CC3