자기장 : 강도, 특성, 소스, 예 - 물리적 인 - 2025

자기장은 이동 전하를 둘러싼 공간에 미치는 영향이다. 전하에는 항상 전기장이 있지만, 움직이는 전하 만 자기 효과를 생성 할 수 있습니다.

자성의 존재는 오랫동안 알려져 왔습니다. 고대 그리스인들은 작은 철 조각을 끌어들일 수있는 광물을 묘사했습니다. 그것은 광석 또는 자철석이었습니다.

그림 1. 자철광 샘플. 출처 : Wikimedia Commons. 로지 네그로 81.

Miletus와 Plato의 현자 Thales는 그들의 글에 자기 효과를 기록 하느라 바빴습니다. 그런데 그들은 정전기도 알고있었습니다.

그러나 자기는 19 세기에 Hans Christian Oersted가 나침반이 전류가 흐르는 전도 선 근처에서 벗어난 것을 관찰 할 때까지 전기와 관련이 없었습니다.

오늘날 우리는 전기와 자기가 같은 동전의 양면이라는 것을 알고 있습니다.

물리학의 자기장

물리학에서 자기장이라는 용어는 모듈러스 (숫자 값), 공간 및 감각의 방향을 갖는 벡터 양입니다. 또한 두 가지 의미가 있습니다. 첫 번째는 자기 유도라고도하는 벡터이며 B 로 표시됩니다 .

단위 B 국제 단위계에 또한 자기장이라고 테슬라, 약칭 T. 다른 양이다 H 그 유닛 A / m이고 또한 자장 강도라고도하고.

두 양 모두 비례하지만 자기 물질이 통과하는 필드에 미치는 영향을 고려하기 위해 이러한 방식으로 정의됩니다.

재료가 외부 자기장의 중간에 배치되면 결과 필드는 이것과 재료 자체의 자기 응답에 따라 달라집니다. 이것이 B 와 H 가 다음에 의해 관련되는 이유입니다 .

B = _μm H

여기서 μ _m 은 재료에 따라 달라지는 상수이며 H를 곱 하면 결과가 테슬라가 되도록 적절한 단위를 갖습니다 .

씨

-자기장은 벡터 크기이므로 크기, 방향 및 감각이 있습니다.

- 국제 시스템에서 자기장 B의 단위는 테슬라 (T)이고 H 는 암페어 / 미터입니다. 문헌에 자주 등장하는 다른 단위는 가우스 (G)와 오 어스 테드입니다.

-자기장 라인은 항상 닫힌 루프로, 북극을 떠나 남극으로 들어갑니다. 필드는 항상 선에 접합니다.

-자극은 항상 남북 쌍으로 표시됩니다. 절연 된 자극을 가질 수 없습니다.

-항상 전하의 움직임에서 비롯됩니다.

-그 강도는 부하 또는 부하를 생성하는 전류의 크기에 비례합니다.

-자기장의 크기는 거리의 제곱의 역수로 감소합니다.

-자기장은 시간과 공간 모두에서 일정하거나 가변적 일 수 있습니다.

-자기장은 이동 전하 또는 전류를 전달하는 전선에 자기력을 발휘할 수 있습니다.

자석 기둥

막대 자석에는 항상 북극과 남극이라는 두 개의 자극이 있습니다. 동일한 기호의 기둥이 밀어내는 반면 다른 유형의 기둥은 끌어 당기는 것을 확인하는 것은 매우 쉽습니다.

이것은 전기 요금에서 발생하는 것과 매우 유사합니다. 또한 가까울수록 서로 끌어 당기거나 밀어내는 힘이 더 커집니다.

막대 자석에는 독특한 패턴의 필드 라인이 있습니다. 그들은 날카로운 곡선으로 북극을 떠나 남극으로 들어갑니다.

그림 2. 막대 자석의 자기장 라인. 출처 : Wikimedia Commons.

이 선을 보는 간단한 실험은 종이 위에 철 파일링을 펼치고 그 아래에 막대 자석을 놓는 것입니다.

자기장의 강도는 필드 라인 밀도의 함수로 제공됩니다. 이것들은 항상 극 근처에서 가장 밀도가 높으며 우리가 자석에서 멀어짐에 따라 퍼집니다.

자석은 두 극이 정확히 북극과 남극 인 자기 쌍극자라고도합니다.

그러나 그들은 결코 분리 될 수 없습니다. 자석을 반으로 자르면 각각 북극과 남극이있는 두 개의 자석이 생성됩니다. 고립 된 극을 자기 모노폴이라고하지만 지금까지 고립 된 극은 없습니다.

출처

자기장의 다양한 소스에 대해 말할 수 있습니다. 그들은 자성 광물에서 큰 자석처럼 행동하는 지구 자체를 통해 전자석에 이르기까지 다양합니다.

그러나 진실은 모든 자기장은 하전 입자의 움직임에서 그 기원을 가지고 있다는 것입니다.

나중에 우리는 모든 자기의 원천이 원자 내부의 작은 전류, 주로 핵 주위의 전자 이동과 원자에 존재하는 양자 효과로 인해 생성되는 전류에 있음을 알 수 있습니다.

그러나 거시적 기원과 관련하여 자연 출처와 인공 출처를 생각할 수 있습니다.

원칙적으로 천연 자원은 "꺼지지"않고 영구 자석이지만 열이 물질의 자기를 파괴한다는 점을 고려해야합니다.

인공 소스의 경우 자기 효과를 억제하고 제어 할 수 있습니다. 따라서 우리는 :

-자철광 및 마그 마이트와 같은 자성 광물, 예를 들어 둘 다 산화철로 만들어진 자연 기원의 자석.

-전류 및 전자석.

자기 미네랄 및 전자석

자연에는 현저한 자기 특성을 나타내는 다양한 화합물이 있습니다. 예를 들어 철과 니켈 조각과 다른 자석을 끌어 당길 수 있습니다.

마그네타이트 및 마그 마이트와 같이 언급 된 산화철은 이러한 종류의 물질의 예입니다.

자화율은 암석의 자기 특성을 정량화하는 데 사용되는 매개 변수입니다. 기본 화성암은 자철광 함량이 높기 때문에 감수성이 가장 높은 암석입니다.

반면에 전류를 전달하는 전선이있는 한 관련 자기장이 있습니다. 여기에 필드를 생성하는 또 다른 방법이 있는데,이 경우 와이어와 동심원의 형태를 취합니다.

필드의 이동 방향은 오른쪽 엄지 손가락의 규칙에 따라 지정됩니다. 오른손 엄지가 전류 방향을 가리키면 나머지 네 손가락은 필드 라인이 구부러지는 방향을 나타냅니다.

그림 3. 자기장의 방향과 감각을 얻기위한 오른쪽 엄지 법칙. 출처 : Wikimedia Commons.

전자석은 전류에서 자기를 생성하는 장치입니다. 마음대로 켜고 끌 수 있다는 장점이 있습니다. 전류가 멈 추면 자기장이 사라집니다. 또한 전계 강도도 제어 할 수 있습니다.

전자석은 스피커, 하드 드라이브, 모터 및 릴레이를 비롯한 다양한 장치의 일부입니다.

이동 전하에 대한 자기력

자기장 B 의 존재는 q-라는 테스트 전하를 통해 확인할 수 있으며 속도 v로 이동 합니다. 이를 위해 전기장과 중력장의 존재는 적어도 당분간 배제됩니다.

이러한 경우, 전하 q가 경험하는 힘 ( F _B 로 표시됨 )은 전적으로 자기장의 영향 때문입니다. 질적으로 다음 사항이 관찰됩니다.

-F _B의 크기는 q와 속도 v에 비례합니다.

- 만약 V가 자계 벡터에 평행의 크기 F _B는 제로이다.

-자력은 v 와 B 모두에 수직입니다 .

-마지막으로 자기력의 크기는 sin θ에 비례하며, 여기서 θ는 속도 벡터와 자기장 벡터 사이의 각도입니다.

위의 모든 것은 양전하와 음전하 모두에 유효합니다. 유일한 차이점은 자기력의 방향이 반전된다는 것입니다.

이러한 관찰은 두 벡터 사이의 벡터 곱과 일치하므로 자기장 의 중간에서 속도 v 로 이동하는 점 전하 q가 경험 하는 자기력은 다음과 같습니다.

F _B = q v x B

누구의 모듈은 :

그림 4. 양의 점 전하에 대한 자기력의 오른손 법칙. 출처 : Wikimedia Commons.

자기장은 어떻게 생성됩니까?

예를 들어 여러 가지 방법이 있습니다.

-적절한 물질을 자화함으로써.

-전도성 와이어를 통해 전류를 전달합니다.

그러나 물질에서 자기의 기원은 그것이 전하의 움직임과 관련되어야 함을 기억함으로써 설명됩니다.

핵 궤도를 도는 전자는 본질적으로 작은 폐쇄 전류 회로이지만 원자의 자기에 실질적으로 기여할 수있는 회로입니다. 자성 물질에는 매우 많은 전자가 있습니다.

원자의 자기에 대한 이러한 기여를 궤도 자기 모멘트라고합니다. 그러나 번역은 전자의 유일한 움직임이 아니기 때문에 더 있습니다. 그것은 또한 자기 스핀 모멘트를 가지고 있는데, 양자 효과는 그것의 축에서 전자의 회전과 유사합니다.

사실, 스핀의 자기 모멘트는 원자 자기의 주요 원인입니다.

종류

자기장은 발생하는 전류의 분포에 따라 다양한 형태를 취할 수 있습니다. 차례로, 그것은 공간뿐만 아니라 시간에 따라 또는 동시에 다를 수 있습니다.

-전자석의 극 근처에는 거의 일정한 장이 있습니다.

-또한 솔레노이드 내부에서 축축을 따라 향하는 필드 라인으로 높은 강도와 ​​균일 한 필드를 얻습니다.

-지구의 자기장은 특히 표면 부근에서 막대 자석의 자기장과 매우 ​​비슷합니다. 더 멀리, 태양풍은 전류를 수정하고 크게 변형합니다.

-전류를 전달하는 와이어는 와이어와 동심원 형태의 필드를 가지고 있습니다.

필드가 시간이 지남에 따라 달라질 수 있는지 여부와 관련하여 다음이 있습니다.

-시간이 지남에 따라 크기 나 방향이 변하지 않는 정적 자기장. 막대 자석의 필드는 이러한 유형의 필드의 좋은 예입니다. 또한 고정 전류를 전달하는 전선에서 발생하는 것들.

-시간에 따라 특성이 변하는 경우 시간에 따른 변수 필드. 그것들을 얻는 한 가지 방법은 자기 유도 현상을 사용하는 교류 발전기에서 얻는 것입니다. 일반적으로 사용되는 많은 장치 (예 : 휴대폰)에서 발견됩니다.

Biot-Savart의 법칙

전류 분포에 의해 생성 된 자기장의 모양을 계산해야하는 경우 1820 년 프랑스 물리학 자 Jean Marie Biot (1774-1862)와 Felix Savart (1791-1841)에 의해 발견 된 Biot-Savart 법칙을 사용할 수 있습니다. ).

간단한 기하학을 가진 일부 전류 분포의 경우 자기장 벡터에 대한 수학적 표현을 직접 얻을 수 있습니다.

전류 I를 전달하는 차동 길이 dl의 와이어 세그먼트가 있다고 가정합니다. 와이어는 또한 진공 상태로 가정됩니다. 이 분포를 생성하는 자기장 :

-와이어까지의 거리의 제곱의 역으로 ​​감소합니다.

-전선을 통과하는 전류 I의 강도에 비례합니다.

-그 방향은 와이어를 중심으로하는 반경 r의 원주에 접하는 방향이며 그 방향은 오른쪽 엄지 손가락의 법칙에 따라 지정됩니다.

- μ _O = 4π. 10 ^-7 Tm은 / A

-d B 는 자기장 차이입니다.

-나는 와이어를 통해 흐르는 전류의 강도입니다.

-r은 와이어의 중심과 필드를 찾고자하는 지점 사이의 거리입니다.

-r 은 와이어에서 필드를 계산하려는 지점으로 이동하는 벡터입니다.

예

아래는 자기장의 두 가지 예와 그 분석 표현입니다.

매우 긴 직선 와이어에 의해 생성 된 자기장

Biot-Savart 법칙에 의해 전류를 전달하는 얇은 유한 도체 와이어에 의해 생성 된 자기장 I을 얻을 수 있습니다. 결과:

헬름홀츠 코일에 의해 생성 된 필드

헬름홀츠 코일은 동일한 전류가 전달되는 두 개의 동일한 동심원 코일로 구성됩니다. 그들은 그 안에 거의 균일 한 자기장을 생성하는 역할을합니다.

그림 5. Helmholtz 코일의 회로도. 출처 : Wikimedia Commons.

코일 중심에서의 크기는 다음과 같습니다.

Y는 축축을 따라 향합니다. 방정식의 요인은 다음과 같습니다.

-N은 코일의 회전 수를 나타냅니다.

-나는 전류의 크기

-μ _o 는 진공의 투자율입니다.

-R은 코일의 반경입니다.

참고 문헌

1. Figueroa, D. (2005). 시리즈 : 과학 및 공학 물리학. 볼륨 1. 운동학. Douglas Figueroa (USB) 편집.
2. 자기장 강도 H . 출처 : 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Physics : A Look at the World. 6 차 요약 판. Cengage 학습.
4. 자기장과 자기력. 출처 : physics.ucf.edu.
5. Rex, A. 2011. 물리학의 기초. 피어슨.
6. Serway, R., Jewett, J. (2008). 과학 및 공학을위한 물리학. 2 권. Ed. Cengage Learning.
7. 비고 대학교. 자기의 예. 출처 : quintans.webs.uvigo.es