Jednym z podstawowych pojęć używanych w fizyce jest pole magnetyczne. Działa na poruszające się ładunki elektryczne. Jest niewyczuwalny i niewyczuwalny przez człowieka, ale jego obecność można wykryć za pomocą magnesu lub żelazka. Dość łatwo jest również zrozumieć, które pole magnetyczne nazywa się jednorodnym i niejednorodnym.
Definicja i metody wykrywania pola magnetycznego
Kiedy spotykamy się z pojęciem pola magnetycznego, pojawia się pytanie, jakiego rodzaju jest to pole magnetyczne, czy jest jednorodne czy niejednorodne. Przed udzieleniem odpowiedzi na takie pytanie konieczne jest podanie wstępnych definicji pojęć.
Pole magnetyczne należy uważać za specjalny rodzaj materii, która istnieje w pobliżu poruszających się ładunków elektrycznych, zwłaszcza w pobliżu przewodników z prądem. Można wykryć za pomocą igły magnetycznej lub opiłków żelaza.
Pole jednolite
Występuje wewnątrz zespołumagnes oraz w elektromagnesie, gdy jego długość jest znacznie większa niż średnica. W tym przypadku, zgodnie z zasadą świderka, kontury pola magnetycznego będą skierowane przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
Linie magnetyczne są równoległe i proste, pustka między nimi jest zawsze taka sama, siła oddziaływania na igłę magnetyczną nie różni się we wszystkich punktach pod względem wielkości i kierunku.
Pole heterogeniczne
W przypadku niejednorodnego pola, linie magnetyczne będą wygięte, pustka między nimi będzie miała różną wielkość, siła oddziaływania na igłę magnetyczną będzie się różnić pod względem wielkości i kierunku w różnych punktach pola. Ponadto siła działająca na strzałkę umieszczoną w polu magnesu paskowego działa w różnych punktach z siłami o różnej wielkości i kierunku. Nazywa się to polem niejednorodnym. Linie takiego pola są zakrzywione, częstotliwość zmienia się w zależności od punktu.
Możliwe jest wykrycie tego rodzaju pola w pobliżu prostego przewodnika z prądem, magnesem sztabkowym i solenoidem.
Co to są linie magnetyczne
Przede wszystkim, gdy pojawia się problem, należy określić jaki rodzaj pola magnetycznego, jednorodne lub niejednorodne, powstaje, należy poznać linie magnetyczne, z kształtu których charakterystyka pola staje się jasna.
Aby zobrazować pole magnetyczne, zaczęto używać linii magnetycznych. Są to wyimaginowane paski wzdłuż igły magnetycznej i umieszczone w polu magnetycznym. Możliwe jest narysowanie linii magnetycznej przez dowolnypunkt pola, będzie miał kierunek i zawsze będzie blisko.
Kierunek
Opuszczają północny biegun magnesu i kierują się na południe. Wewnątrz samego magnesu wszystko jest dokładnie odwrotnie. Same linie nie mają początku ani końca, są zamknięte lub przechodzą od nieskończoności do nieskończoności.
Poza magnesem linie są rozmieszczone tak gęsto, jak to możliwe, w pobliżu biegunów. Z tego widać, że działanie pola jest najsilniejsze w pobliżu biegunów, a gdy oddalasz się od dna, słabnie. Biorąc pod uwagę, że paski magnetyczne są zakrzywione, zmienia się również kierunek siły działającej na igłę magnetyczną.
Jak przedstawiać
Aby zrozumieć, jak jednorodne pola magnetyczne różnią się od niejednorodnych, musisz nauczyć się przedstawiać je za pomocą linii magnetycznych.
Należy rozważyć powyższy przykład występowania równomiernego pola magnetycznego w tzw. elektromagnesie, czyli cylindrycznej cewce drutu, przez którą przepływa prąd. Wewnątrz niej pole magnetyczne można uznać za jednolite, pod warunkiem, że długość jest znacznie większa niż średnica (na zewnątrz cewki pole będzie nierównomierne, linie magnetyczne będą ułożone tak samo jak w magnesie sztabkowym).
Jednorodne pole znajduje się również w środku magnesu sztabkowego. W dowolnym ograniczonym obszarze w przestrzeni możliwe jest również odtworzenie jednolitego pola magnetycznego, w którym siły działające na namagnesowaną igłę będą takie same pod względem wielkości i kierunku.
Aby zobrazować pole magnetyczne, użyj poniższego przykładu. Jeśli linie są zlokalizowaneprostopadłe do płaszczyzny rysunkowej i skierowane od widza, następnie są przedstawione krzyżykami, jeśli na widzu - kropkami. Podobnie jak w przypadku prądu, każdy krzyż jest jakby widocznym ogonem strzały lecącej od patrzącego, a grot jest ostrzejszy niż strzała lecąca w naszym kierunku.
Ponadto łatwo jest spełnić wymaganie "Narysuj jednolite i niejednorodne pole magnetyczne". Po prostu narysuj te linie magnetyczne, biorąc pod uwagę charakterystykę pola (jednorodność i niejednorodność).
Jednak istnienie niejednorodnych pól znacznie komplikuje zadanie. W takim przypadku uzyskanie jakiegokolwiek wyniku fizycznego za pomocą ogólnego równania jest mało prawdopodobne.
Różnice
Odpowiedź na pytanie, czym różnią się jednorodne pola magnetyczne od niejednorodnych, jest dość łatwa. Przede wszystkim zależy to od linii magnetycznych. W przypadku jednolitego pola odległość między nimi będzie taka sama i będą one rozmieszczone równomiernie, z tą samą siłą działającą na instrumenty w dowolnym punkcie. W przypadku pól niejednorodnych wszystko jest dokładnie odwrotnie. Linie są rozmieszczone nierównomiernie, w różnych miejscach działają z nierówną siłą na urządzenia.
W praktyce pole niejednorodne jest dość powszechne, o czym należy również pamiętać, ponieważ pola jednorodne mogą wystąpić tylko wewnątrz obiektu, takiego jak magnes lub solenoid. Obserwacje plenerowe naprawią niejednorodność.
Wykrywanie pola
Zrozumienie, czym są jednorodne i niejednorodne pola magnetyczne, oraz zdefiniowanie ichpo zdemontowaniu powinieneś dowiedzieć się, jak je znaleźć.
Najprostszy do tego jest eksperyment przeprowadzony przez Oersteda. Polega na użyciu igły magnetycznej, która pomaga określić istnienie prądu elektrycznego. Gdy tylko prąd porusza się wzdłuż przewodnika, strzałka znajdująca się w pobliżu przesunie się ze względu na jednorodne i niejednorodne pola magnetyczne.
Interakcja przewodów z prądem
Każdy przewodnik z prądem ma swoje własne pole magnetyczne, które działa z określoną siłą na najbliższy. W zależności od kierunku prądu przewodniki będą się przyciągać lub odpychać. Pola pochodzące z różnych źródeł sumują się i tworzą jedno pole wynikowe.
Jak są tworzone i dlaczego
Przykłady jednorodnych i niejednorodnych pól magnetycznych stosowanych w urządzeniach z promieniami katodowymi są tworzone przez cewki przepuszczające prąd. W celu uzyskania wymaganego kształtu pola magnetycznego stosuje się końcówki półek oraz ekrany magnetyczne, wykonane z materiałów o silnej przenikalności magnetycznej.
Wpływ niejednorodnych pól magnetycznych może zmienić przebieg nieodwracalnych zjawisk fizycznych i chemicznych, w większości procesów niejednorodnych. Pojawienie się turbulentnej dyfuzji prowadzi do zwiększenia o kilka rzędów wielkości szybkości przemieszczania się gazu z dowolnej cieczy na powierzchnię w postacimikropęcherzyki. Efekt miejscowego odwodnienia jonów i cząstek wynika z intensyfikacji procesu mikrokrystalizacji. W płynących mediach reakcje wysokoenergetyczne mogą tworzyć wolne rodniki, tlen atomowy, nadtlenki i związki azotowe. Następuje koagulacja, a w cieczy pojawiają się produkty spowodowane erozyjną destrukcją.
Podczas kawitacji hydrodynamicznej duże rozmiary pojawiających się pęcherzyków i kawern komplikują ich porywanie przez ciecz z obszaru niskiego ciśnienia do obszaru wyższego ciśnienia, gdzie pęcherzyki się zapadają. Podczas zapadania się małego pęcherzyka występuje niska zawartość powietrza i zachodzi silna reakcja chemiczna, podobna do wyładowania plazmowego. Obecność niejednorodnych pól magnetycznych prowadzi do niestabilności ubytków, ich rozpadu oraz pojawienia się wirów i pęcherzyków o małej skali. Biorąc pod uwagę, że ciśnienie w centrum takiego wiru jest zmniejszone, przekształca on małe pęcherzyki gazu.
Podczas pomiaru indukcji w niejednorodnym polu magnetycznym należy pamiętać, że napięcie Halla jest proporcjonalne do średniej wartości indukcji pola w obszarze ograniczonym powierzchnią przetwornika.
Do ogniskowania wiązek przyosiowych stosuje się również niejednorodne pola magnetyczne, utworzone przez krótkie cewki, które są wielowarstwowymi solenoidami, których długość jest współmierna do ich średnicy. Na elektron wchodzący w takie pole działają siły zmieniające jego kierunek. Elektron pod wpływem takiej siły zbliża się do osi soczewki, natomiast płaszczyzna, w której znajduje się jego trajektoria, jestzakręty. Elektron porusza się wzdłuż odcinka spiralnego, który przecina oś soczewki w danym punkcie.
Współczynnik wzrostu przestrzennego jest spowodowany przestrzennym rozproszeniem niejednorodnych pól na terenie niejednorodnego układu spłukiwanego cieczą. Do uzyskania populacyjnej inwersji poziomów metodą separacji wykorzystuje się pola niejednorodne wytworzone przez magnes wielopasmowy. Kształt biegunów jest podobny do prętów w kondensatorze kwadrupolowym generatora molekularnego na bazie amoniaku.
Zastosowania
Metoda wykrywania wad metodą kolejności magnetycznej opiera się na przyciąganiu cząstek magnetycznych przez siły niejednorodnych pól, które pojawiają się nad defektami. Nagromadzenie takiego proszku determinuje obecność wady, jej wielkość i położenie na sprawdzanej części.
Niewielki efekt rozszczepienia jest uważany za istotną wadę metody wiązki molekularnej wykorzystującej silne niejednorodne pola magnetyczne. Istnieje prosta i pozornie nieprawdopodobna metoda na zwiększenie tego efektu. Polega na zastosowaniu lekkiego zewnętrznego pola magnetycznego. To ostatnie umożliwi zwiększenie obszaru zastosowania precesyjnych magnetometrów jądrowych w kierunku niejednorodnych pól magnetycznych.
Zaletą tej metody jest jej wysoka rozdzielczość, która umożliwia detekcję niejednorodnych pól magnetycznych współmiernych do wielkości cząstek warstwy magnetycznej taśmy, a także możliwość znalezienia uszkodzeń na złożone powierzchnie i w ciasnych otworach.
Wady sąpotrzeba wtórnego przetwarzania informacji, tylko cząstki pól magnetycznych są utrwalane wzdłuż taśmy, złożoność demagnetyzacji i konserwacji taśmy oraz konieczne jest zapobieganie wpływowi zewnętrznych pól magnetycznych.
Jednorodne i niejednorodne pola magnetyczne są dość powszechne, mimo że są niewidoczne dla przeciętnego laika. Przykłady jednorodnych i niejednorodnych pól magnetycznych można znaleźć w magnesach sztabkowych i solenoidach. Jednocześnie możesz je zauważyć za pomocą prostej igły magnetycznej lub opiłków żelaza.
