Magnetisk flux – definition, enheder (Weber) og anvendelser
Magnetisk flux forklaret: definition, SI-enhed Weber (Wb), enhedsomregning og praktiske anvendelser i elektromagneter, dynamoer og partikelacceleratorer.
Definition
Magnetisk flux beskriver, hvor meget magnetfelt der passerer gennem en given flade. Formelt defineres den som fladeintegralet af magnetfeltinduktionen B over en flade A:
Φ = ∫ B · dA
For et ensartet magnetfelt, der står vinkelret på en flad overflade med areal A, bliver dette simpelt: Φ = B·A. Hvis feltet står i en vinkel θ i forhold til normalvektoren til fladen, er Φ = B·A·cosθ.
Hvad skaber magnetfeltet?
Magnetfeltet opstår primært fra to kilder:
- Elektriske strømme (bevægelse af ladninger) — for eksempel i ledere eller spoler.
- Materialers indre magnetiske moment, især i ferromagnetiske materialer, hvor elektronernes spind og orbitalbevægelser kan blive justeret i samme retning og derved give et makroskopisk magnetfelt.
På kvanteniveau beskrives elektromagnetiske vekselvirkninger ved fotoner, men for tekniske og pædagogiske formål anvendes den klassiske beskrivelse af magnetfeltet B og derved magnetisk flux.
Enheder og ækvivalenser
SI-enheden for magnetisk flux er Weber (Wb). Én Weber svarer til én tesla gange én kvadratmeter (1 Wb = 1 T·m²) og svarer også til én volt-sekund (1 Wb = 1 V·s).
Inden for CGS-systemet bruges enheden Maxwell.
Vigtige egenskaber
- Faradays induktionslov: Ændring i magnetisk flux gennem en spole eller en lederløkke fremkalder en elektromotorisk kraft (emf). Matematiske: e = -dΦ/dt. Hvis der er N vindinger, bruges fluxlinkage: e = -N dΦ/dt.
- Gauss' lov for magnetisme: Den samlede magnetiske flux gennem en lukket overflade (f.eks. en kugle) er altid nul. Dette udtrykker, at der ikke findes magnetiske monopoler i klassisk elektromagnetisme, og forklarer sætningen: "Den magnetiske flux gennem en lukket overflade er nul."
- Retning og orientering: Magnetisk flux er orienteret; fortegnet bestemmes af arealets normalretning. Om flux er positiv eller negativ afhænger af, hvordan fladens orientering vælges.
Anvendelser
Magnetisk flux er et centralt begreb i mange tekniske og videnskabelige sammenhænge:
- Design og analyse af elektromagneter og spoler (f.eks. transformatorer, induktorer).
- Generatorer og dynamoer, hvor ændring i flux gennem spoler genererer elektrisk energi.
- Elektriske motorer og relæer, hvor fluxstyring bestemmer kræfter og drejningsmoment.
- Magnetisk lagring (f.eks. harddiske), magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) og magnetiske sensorer.
- Fysikeres beregninger i store systemer som partikelacceleratorer, hvor feltkonfigurationer og fluxfordelinger er kritiske for partiklers baner.
- Måleinstrumenter som fluxmetre, fluxgate-magnetometre og SQUIDs (superledende kvanteinterferometre) anvendes til at måle magnetisk flux eller feltstyrke meget præcist.
Beregnings- og målemetoder
I praksis måles ofte magnetfeltet B punktvis (f.eks. med en Hall-sensor), hvorefter man numerisk integrerer over en flade for at bestemme fluxen. En alternativ metode er at måle den inducerede spænding i en kendt spole og anvende Faradays lov til at bestemme ændringen i flux.
Særlige noter
- Fluxkvantisering: I superledere kan magnetisk flux i en ring være kvantiseret i hele multipla af fluxkvanten Φ0 ≈ 2,07·10^−15 Wb — et fænomen, der er vigtigt i superledende elektronik og kvanteanordninger.
- Størrelsesordener: Typiske anvendelser spænder fra meget små fluxværdier i følsomme målinger til flere webere i store industrielle magneter.
Sammenfattende er magnetisk flux et mål for hvor meget magnetfelt der "gennemtrænger" en flade, og begrebet er centralt for både teoretisk forståelse og praktisk konstruktion af elektromagnetiske systemer.
Relaterede sider
- Magnetisk felt
- James Clerk Maxwell påviste, at elektriske og magnetiske kræfter er to komplementære aspekter af elektromagnetismen.
- Maxwells ligninger beskriver både de elektriske og magnetiske felters opførsel og deres vekselvirkninger med stof.
- Gauss' lov angiver forholdet mellem den elektriske strøm, der strømmer ud af en lukket overflade, og den elektriske ladning, der er indesluttet i overfladen.
- Magnetisk kredsløb er en metode, der anvender en analogi med elektriske kredsløb til at beregne strømmen i komplekse systemer af magnetiske komponenter.
- Magnetisk monopol er en hypotetisk partikel, der løst kan beskrives som "en magnet med kun én pol".
- Magnetisk fluxkvantum er kvantum af magnetisk flux, der passerer gennem en superleder.
- Carl Friedrich Gauss udviklede et samarbejde med Wilhelm Weber, som førte til ny viden inden for magnetisme.
Spørgsmål og svar
Q: Hvad genererer feltet omkring et magnetisk materiale?
A: Magnetisk flux genererer feltet omkring et magnetisk materiale.
Q: Hvad består magnetisk flux af?
A: Magnetisk flux består af fotoner, men med en meget lavere frekvens end det lys, vi modtager fra solen.
Q: Hvorfor er magnetiske feltlinjer ikke synlige for det blotte øje?
A: Magnetiske feltlinjer er ikke synlige for det blotte øje på grund af deres lave frekvens.
Q: Hvad giver et materiale dets magnetisme?
A: Elektronernes indbyrdes placering i de atomare skaller i ferromagneter og de "roterende" elektroner i elektromagneter giver et materiale dets magnetisme.
Q: Hvad er SI-enheden for magnetisk flux?
A: SI-enheden for magnetisk flux er Weber (Wb) i afledte enheder, såsom volt-sekunder.
Q: Hvad er CGS-enheden for magnetisk flux?
A: CGS-enheden for magnetisk flux er Maxwell.
Q: Hvem bruger magnetisk flux i deres arbejde?
A: Elektroingeniører, der designer systemer med elektromagneter, designer dynamoer, og fysikere, der designer partikelacceleratorer, bruger magnetisk flux i deres arbejde.
Søge