Magnetväli: definitsioon, omadused ja mõõtmine (tesla, gauss)
Magnetväli: definitsioon, omadused ja mõõtmine — tesla ja gauss; selgitus tekkimisest, tugevusest, mõõtmisest ja rakendustest teaduses ning tehnikas.
Magnetväli on magnetit ümbritsev ala, milles avaldub magnetiline jõud. Liikuvad elektrilaengud (näiteks voolud juhtmetes) tekitavad magnetvälju. Magnetvälju saab sageli kujutada ja visualiseerida magnetvoolujoonte järgi: need jooned näitavad välja suunda igas ruumipunktis — magnetvoojoon algab ühes poolusest ja lõpeb teises, moodustades suletud ahelaid. Magnetväljad mõjutavad teisi osakesi ja kehaosakesi, mis satuvad väljaga kokku.
Põhimõisted ja omadused
Magnetväli väljendatakse tavaliselt vektoriga B, mida nimetatakse magnetvoo tiheduseks või magnetväljaks (magnetic flux density). Vektor B suunab jõu, mida magnetväli mõjutab liikuvat laengut — Lorentzi jõu abil: F = q (v × B). Magnetväljad ei lõpe ruumis vabas; reaalsete allikatena esinevad ringikujulised voolud või magnetilised dipoolid. Matemaatselt väljendub üks oluline omadus Maxwelli võrrandites: ∇·B = 0 (st monopoolseid magnetlaenguid ei ole eraldi avastatud) ning muutuvate elektriväljadega on need seotud induktsiooniseadusega (∇×E = −∂B/∂t).
Voolujooned, dipoolid ja energia
Magnetvälja paigutamisel sättuvad magnetilised dipoolid tavaliselt ritta nii, et dipooli telg on paralleelne väljaga — seda on lihtne näha, kui asetada rauakillud magneti ümber: rauapuru paigutub voolujoonte suunda. Magnetväljadel on ka oma energia ja impulss; ruumipunktienergia tihedus vaakumis on antud lihtsustatud valemiga u = B² / (2μ0), kus μ0 on vaakumi permeaablus (μ0 ≈ 4π·10−7 H·m−1). Magnetvälja tugevus on seotud voolujoonte vahekaugusega: mida tihedamad on voolujooned, seda tugevam väli.
Allikad ja tüübid
Magnetvälju tekitavad peamiselt elektrivoolud ja magnetilised dipoolid. Kui magnetiline väli tekib elektrivälja muutumise kaudu, on tegemist elektromagnetismiga. Magnetiliste materjalide käitumise selgitamiseks vaata ka magnetism ja magnet, eriti erinevaid nähtusi nagu diamagnetism, paramagnetism ja ferromagnetism. Materjalide puhul seostatakse magnetvoo tihedust B magnetvälja tugevusega H ning magnetiseeritusega M: B = μ0 (H + M) või lihtsustatult B = μ H, kus μ on materjali magnetiline permeaablus.
Ühik ja praktilised näited
Magnetvälja mõõdetakse SI-ühikus teslas (sümbol T) ning cgs-süsteemis gauss (sümbol G). 1 T = 10 000 G. Mõningad tüüpilised näited tugevustest:
- Maa magnetväli: umbes 25–65 μT (0,25–0,65 G).
- Leibkonna külmiku magnet: mõni millitesla (mT), sõltuvalt magnetist (näiteks ~5 mT ≈ 50 G).
- Neodüümmagnendid: tavaliselt mõnikümmend sajandikku teslast kuni üle ühe tesla (näiteks ~1 T ≈ 10 000 G).
- MRI skannerid meditsiinis: tavaliselt 1,5–3 T (15 000–30 000 G) või ka tugevamad.
Mõõtmine ja instrumendid
Magnetvälja mõõtmiseks kasutatakse mitmesuguseid seadmeid sõltuvalt sagedusest ja tundlikkusest:
- Hall‑andur (Hall probe) — mõõdab magnetvälja B tekitatud Hall‑pinget; sobib DC ja aeglaselt muutuvate väljade jaoks.
- Fluxgate‑magnetomeeter — väga tundlik mõõtmaks nõrku püsimagneteid ja Maa väli.
- Search coil ehk otsimismähis — mõõdab muutuvat magnetvoogu (AC) induktsiooni kaudu.
- SQUID (superconducting quantum interference device) — erakordselt tundlik väga nõrkade väljade mõõtmiseks, kasutatakse teaduslikes ja meditsiinilistes rakendustes.
- Gaussmeetri ja magnetomeetri terminoloogias tähistatakse sageli sama tüüpi instrumente, mis annavad B‑väärtuse teslates või gaussides.
Mõõtmiste käigus tuleb arvestada kalibreerimise, temperatuuri ja häiretega (näiteks ferromagnetiliste läheduses olevate objektide mõju).
Magnetväljade jõud ja rakendused
Magnetväljad mõjuvad kiirenevatele laengutele ja magnetilistele dipoolidele. Liikuv laeng q kogeb Lorentzi jõudu F = q (v × B), mis on risti nii laengu kiiruse v kui ka välja B‑ga. Magnetilised jõud kasutatakse paljudes rakendustes: elektromootorites, generaatorites, transformeerijates, magnetlahutuses, andurites ja meditsiinilises kujutamises (MRI).
Seos elektriväljaga ja ajalooline taust
Elektriväli ja magnetväli on kaks komponenti ühtsest elektromagnetväljast. Muutuvad elektriväljad tekitavad magnetvälju ja vastupidi — see seos on elektromagnetismi põhialus. Elektromagnetismi uurimise ja induktsiooni avastamise vankri ehitasid teadlased nagu Michael Faraday, kes avastas elektromagnetilise induktsiooni, ning hiljem James Clerk Maxwell, kes ühendas need nähtused teoreetiliselt Maxwelli võrranditeks.
Visualiseerimiseks kasutatakse sageli rauapuru või väikseid rauatühikuid magneti ümber — need paigutuvad magnetvoolujoontes ja aitavad välja inimesele nähtavaks teha. Magnetväljade täielik mõistmine hõlmab nii klassikalist elektromagnetismi kui ka mateeria kvantmehaanilist käitumist magnetiliste ainete puhul.
H-väli
Füüsikud võivad öelda, et kahe magneti vaheline jõud ja pöördemoment on põhjustatud magnetpooluste vastastikusest vastastikusest tõmbumisest või tõmbumisest. See on nagu Coulombi jõud, mis tõmbab samu elektrilaenguid tagasi või tõmbab vastandlikke elektrilaenguid ligi. Selles mudelis tekitatakse magnetiline H-väli magnetlaengute poolt, mis on iga pooluse ümber "määrdunud". Seega on H-väli nagu elektriväli E, mis algab positiivsest elektrilaengust ja lõpeb negatiivse elektrilaengu juures. Põhjapooluse lähedal osutavad kõik H-välja jooned põhjapoolusest eemale (kas magneti sees või väljaspool), samas kui lõunapooluse lähedal (kas magneti sees või väljaspool) osutavad kõik H-välja jooned lõunapooluse poole. Põhjanaelale mõjub seega jõud H-välja suunas, samas kui lõunapoolusele mõjuv jõud on H-väljaga vastupidine.
Magnetpooluse mudelis moodustavad elementaarse magnetilise dipooli m kaks vastandlikku magnetpoolust, mille pooluse tugevus qm on väga väikese vahemaaga d eraldatud, nii et m = qm d.
Kahjuks ei saa magnetpoolused üksteisest lahus eksisteerida. Kõigil magnetitel on põhja/lõuna paarid, mida ei saa eraldada, ilma et tekiks kaks magnetit, millel mõlemal on põhja/lõuna paar. Magnetpoolused ei arvesta ka magnetismi, mida tekitavad elektrivoolud, ega jõudu, mida magnetväli avaldab liikuvatele elektrilaengutele.
Magnetpooluse mudel : kaks vastandlikku poolust, põhja- (+) ja lõunapoolus (-), mis on eraldatud vahemaaga d, tekitavad H-välja (jooned).
H-väli ja magnetilised materjalid
H-väli on määratletud järgmiselt:
H ≡ B μ 0 - M , {\displaystyle \mathbf {H} \ \equiv \ {\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}-\mathbf {M} ,} 
(H määratlus SI-ühikutes)
Selle määratluse korral muutub Ampere'i seadus järgmiselt:
∮ H ⋅ d ℓ = ∮ ( B μ 0 - M ) ⋅ d ℓ = I t o t - I b = I f {\displaystyle \oint \mathbf {H} \cdot d \boldsymbol {\ell }}=\point \left({\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}-\mathbf {M} \right)\cdot d \boldsymbol {\ell }}=I_{\mathrm {tot} }-I_{\mathrm {b} }=I_{\mathrm {f} }} 
kus If kujutab endast silmusega ümbritsetud "vaba voolu", nii et lineaarintegraal H ei sõltu üldse seotud vooludest. Selle võrrandi diferentsiaalekvivalendi kohta vt Maxwelli võrrandid. Ampere'i seadusest tuleneb piirtingimus:
H 1 , ∥ - H 2 , ∥ = K f , {\displaystyle H_{1,\parallel }-H_{2,\parallel }=\mathbf {K} _{\text{f}},} 
kus Kf on pinna vaba voolutihedus.
Samamoodi on pinnaintegraal H mis tahes suletud pinnal sõltumatu vabadest vooludest ja toob välja "magnetilised laengud" selle suletud pinna sees:
∮ 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},} 
mis ei sõltu vabavooludest.
H-välja võib seega jagada kaheks sõltumatuks osaks:
H = H 0 + H d , {\displaystyle \mathbf {H} =\mathbf {H} _{0}+\mathbf {H} _{d},\,} 
kus H0 on rakendatud magnetväli, mis tuleneb ainult vabadest vooludest, ja Hd on demagnetiseeriv väli, mis tuleneb ainult seotud vooludest.
Magnetiline H-väli muudab seega seotud voolu "magnetiliste laengute" mõistes. H-välja jooned moodustavad silmuse ainult "vaba voolu" ümber ning erinevalt magnetilisest B-väljast algab ja lõpeb see ka magnetpooluste läheduses.
Seotud leheküljed
Küsimused ja vastused
K: Mis on magnetväli?
V: Magnetväli on magnetit ümbritsev ala, kus on magnetiline jõud, mis on loodud liikuvate elektrilaengute poolt.
K: Kuidas saab määrata magneti tugevust?
V: Magneti tugevust saab kindlaks teha, vaadates magnetvoogude joonte vahelisi vahed - mida tihedamalt need on, seda tugevam on magnet.
K: Mis juhtub, kui osakesed puutuvad kokku magnetväljaga?
V: Kui osakesed puudutavad magnetvälja, saavad nad sellest jõudu.
K: Mida tähendab see, et millelgi on oma energia ja impulss?
V: Oma energia ja impulsi omamine tähendab, et millelgi on oma omadused, mis võimaldavad tal liikuda või tegutseda teistest objektidest või jõududest sõltumatult.
K: Kuidas mõõdetakse magnetvälja tugevust?
V: Magnetvälja tugevust mõõdetakse teslas (SI-ühikud) või gauss'is (cgs-ühikud).
K: Kes pani aluse elektromagnetismi seadusele?
V: Michael Faraday rajas elektromagnetismi seaduse.
K: Mis juhtub, kui rauakillud asetatakse magneti lähedusse?
V: Kui rauakillud asetatakse magneti lähedusse, liiguvad need ja paigutuvad voolujooneteks, mis näitavad magnetvälja suunda ja tugevust.
Otsige