Vetenskapen om magnetfältlinjer

Ett magnetfält omger alla elektriska laddningar i rörelse. Magnetfältet är kontinuerligt och osynligt, men dess styrka och orientering kan representeras av magnetfältlinjer. Idealt visar magnetfältlinjer eller magnetiska flödeslinjer styrkan och orienteringen hos ett magnetfält. Representationen är användbar eftersom den ger människor ett sätt att se en osynlig kraft och eftersom fysiska lagar i fysik lätt rymmer "antal" eller täthet av fältlinjer.

• Magnetfältlinjer är en visuell representation av de osynliga kraftlinjerna i ett magnetfält.
• I överensstämmelse spår linjerna kraften från en norr till sydpolen av en magnet.
• Avståndet mellan linjerna indikerar magnetfältets relativa styrka. Ju närmare linorna är, desto starkare är magnetfältet.
• Järnfilningar och en kompass kan användas för att spåra form, styrka och riktning på magnetfältlinjer.

Ett magnetfält är en vektor, vilket innebär att det har magnitud och riktning. Om elektrisk ström flyter i en rak linje, visar högerregeln riktningen osynliga magnetfältlinjer som flödar runt en tråd. Om du föreställer dig att ta tag i tråden med din högra hand med tummen pekande i strömriktningen, rör sig magnetfältet i riktningen för fingrarna runt tråden. Men om du inte vet strömriktningen eller bara vill visualisera ett magnetfält?

Hur man ser ett magnetfält

Precis som luft är ett magnetfält osynligt. Du kan se vind indirekt genom att kasta små pappersbitar i luften. På samma sätt kan du placera bitar av magnetiskt material i ett magnetfält genom att spåra dess väg. Enkla metoder inkluderar:

Använd ett kompass

En grupp kompasser kan visa riktningarna för magnetfältlinjer. Maciej Frolow / Getty Images

Att vinka en enda kompass runt ett magnetfält visar fältlinjernas riktning. För att faktiskt kartlägga magnetfältet indikerar magnetfältets riktning när som helst att placera många kompasser. För att rita magnetfältlinjer, anslut kompassen "prickar". Fördelen med denna metod är att den visar riktningen för magnetfältlinjer. Nackdelen är att det inte indikerar magnetfältstyrka.

Använd järnfilter eller magnetisand

Järn är ferromagnetiskt. Detta betyder att den riktar sig längs magnetfältlinjer och bildar små magneter med nord- och sydpoler. Små järnbitar, såsom järnfilningar, anpassar sig för att bilda en detaljerad karta över fältlinjer eftersom nordpolen i ett stycke orienterar för att slå tillbaka nordpolen för en annan bit och locka dess sydpol. Men du kan inte bara strö filingarna på en magnet eftersom de lockas till den och kommer att hålla sig till den snarare än att spåra magnetfältet.

För att lösa detta problem sprutas järnfilningar på papper eller plast över ett magnetfält. En teknik som används för att sprida filingarna är att strö dem på ytan från en höjd av några tum. Fler arkiveringar kan läggas till för att göra fältlinjerna tydligare, men bara upp till en punkt.

Alternativ till järnfilter inkluderar stål-BB-pellets, pläterade plåtar av järn (som inte rostar), små pappersklipp, häftklamrar eller magnetit sand. Fördelen med att använda partiklar av järn, stål eller magnetit är att partiklarna bildar en detaljerad karta över magnetfältlinjer. Kartan ger också en grov indikation på magnetfältstyrkan. Tätt linjer med tätt avstånd uppstår där fältet är starkast, medan vitt separerade, glesa linjer visar var det är svagare. Nackdelen med att använda järnfilningar är att det inte finns någon indikation på magnetfältets orientering. Det enklaste sättet att övervinna detta är att använda en kompass tillsammans med järnfilningar för att kartlägga både orientering och riktning.

Prova magnetisk visningsfilm

Magnetisk film är en flexibel plast som innehåller bubblor med vätska snörda med små magnetiska stavar. Filmerna verkar mörkare eller ljusare beroende på stavernas orientering i ett magnetfält. Magnetvisningsfilm fungerar bäst för att kartlägga komplex magnetisk geometri, till exempel den som produceras av en platt kylmagnet.

Naturliga magnetfältlinjer

Linjerna i auroran följer jordens magnetfältlinjer. Oscar Bjarnason / Getty Images

Magnetfältlinjer visas också i naturen. Under en total solförmörkelse spårar linjerna i korona solens magnetfält. Tillbaka på jorden indikerar linjerna i en aurora banan för planetens magnetfält. I båda fallen är de synliga linjerna glödande strömmar av laddade partiklar.

Regler för magnetfältlinjer

Med hjälp av magnetfältlinjer för att konstruera en karta blir vissa regler uppenbara:

1. Magnetfältlinjer korsar aldrig.
2. Magnetfältlinjer är kontinuerliga. De bildar stängda öglor som fortsätter hela vägen genom magnetiskt material.
3. Magnetfältlinjer samlas där magnetfältet är starkast. Med andra ord indikerar fältlinjens densitet magnetfältstyrka. Om fältlinjerna runt en magnet kartläggs är dess starkaste magnetfält vid endera polen.
4. Om inte magnetfältet är mappat med en kompass kan magnetfältets riktning vara okänd. Genom konvention indikeras riktning genom att dra pilspetsar längs magnetfältlinjer. I vilket magnetfält som helst strömmar linjerna alltid från nordpolen till sydpolen. Namnen "norr" och "söder" är historiska och kan inte ha någon inverkan på magnetfältets geografiska orientering

Källa

• Durney, Carl H. och Curtis C. Johnson (1969). Introduktion till modern elektromagnetik. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-018388-9.
• Griffiths, David J. (2017). Introduktion till elektrodynamik (4: e upplagan). Cambridge University Press. ISBN 9781108357142.
• Newton, Henry Black och Harvey N. Davis (1913). Praktisk fysik. MacMillan Co., USA.
• Tipler, Paul (2004). Fysik för forskare och ingenjörer: Elektricitet, magnetism, ljus och elementär modern fysik (5: e upplagan). W. H. Freeman. ISBN 978-0-7167-0810-0.