Μαγνητική ροή είναι η ποσότητα του μαγνητικού πεδίου που διαπερνά μια περιοχή σε ορθή γωνία προς αυτήν. Σε μια απλή κατάσταση όπου το πεδίο διέρχεται σε ορθή γωνία από μια επίπεδη επιφάνεια, αυτή η ποσότητα είναι η ισχύς του μαγνητικού πεδίου πολλαπλασιαζόμενη με το εμβαδόν της επιφάνειας. Στις περισσότερες καταστάσεις της πραγματικής ζωής, ωστόσο, πρέπει να ληφθούν υπόψη άλλοι παράγοντες. Η μαγνητική ροή είναι μια σημαντική έννοια σε πολλούς τομείς της επιστήμης, με εφαρμογές που σχετίζονται με ηλεκτρικούς κινητήρες, γεννήτριες και τη μελέτη του μαγνητικού πεδίου της Γης. Αντιπροσωπεύεται στη φυσική με το ελληνικό γράμμα φι, φ.
Νόμος του Gauss
Ένας μαγνήτης ράβδου έχει δύο πόλους, που ονομάζονται βόρειος και νότος λόγω του τρόπου με τον οποίο αντιδρούν στο μαγνητικό πεδίο της Γης, το οποίο είναι ευθυγραμμισμένο κατά προσέγγιση βορρά-νότου. Είναι μια επιστημονική σύμβαση ότι οι γραμμές μαγνητικής δύναμης ρέουν από βορρά προς νότο. Εάν ένα άτομο πάρει τη δισδιάστατη ορθογώνια επιφάνεια στο βόρειο άκρο ενός μαγνήτη ράβδου, έχει μαγνητική ροή, όπως και η επιφάνεια στον νότιο πόλο. Ο μαγνήτης στο σύνολό του, ωστόσο, δεν έχει ροή, καθώς το βόρειο και το νότιο άκρο είναι ίσα σε ισχύ και το πεδίο «ρέει» από τον βόρειο πόλο στον νότιο πόλο, σχηματίζοντας έναν κλειστό βρόχο.
Ο νόμος του Gauss για τον μαγνητισμό δηλώνει ότι, για μια κλειστή επιφάνεια, όπως μια σφαίρα, ένας κύβος ή ένας μαγνήτης ράβδων, η μαγνητική ροή είναι πάντα μηδέν. Είναι ένας άλλος τρόπος να πούμε ότι ένα αντικείμενο, όσο μικρό κι αν είναι, με βόρειο πόλο πρέπει πάντα να έχει νότιο πόλο ίσης αντοχής και το αντίστροφο. Οτιδήποτε έχει μαγνητικό πεδίο είναι δίπολο, δηλαδή έχει δύο πόλους. Μερικοί επιστήμονες έχουν υποθέσει ότι μπορεί να υπάρχουν μαγνητικά μονόπολα, αλλά κανένα δεν έχει ποτέ εντοπιστεί. Εάν βρεθούν, ο νόμος του Gauss θα πρέπει να αλλάξει.
Ο νόμος του Faraday
Ο νόμος του Faraday δηλώνει ότι μια αλλαγή στη μαγνητική ροή θα δημιουργήσει μια τάση, ή ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF), μέσα σε ένα πηνίο σύρματος. Η απλή μετακίνηση ενός μαγνήτη κοντά σε ένα πηνίο σύρματος θα το πετύχει, όπως και μια αλλαγή στην ισχύ του μαγνητικού πεδίου. Η παραγόμενη τάση μπορεί να προσδιοριστεί από τον ρυθμό μεταβολής της μαγνητικής ροής και τον αριθμό των στροφών στο πηνίο.
Αυτή είναι η αρχή πίσω από τις γεννήτριες ηλεκτρικής ενέργειας, όπου η κίνηση δημιουργείται, για παράδειγμα, από τρεχούμενο νερό, άνεμο ή έναν κινητήρα που τροφοδοτείται από ορυκτά καύσιμα. Οι μαγνήτες και τα πηνία του σύρματος μετατρέπουν αυτή την κίνηση σε ηλεκτρική ενέργεια, σύμφωνα με το νόμο του Faraday. Οι ηλεκτρικοί κινητήρες επιδεικνύουν την ίδια ιδέα αντίστροφα: ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό ρεύμα σε πηνία σύρματος αλληλεπιδρά με μαγνήτες για να παράγει κίνηση.
Μαγνητικά υλικά
Τα υλικά ποικίλλουν ως προς τις αντιδράσεις τους στα μαγνητικά πεδία. Οι σιδηρομαγνητικές ουσίες παράγουν από μόνοι τους ισχυρότερο μαγνητικό πεδίο και αυτό το πεδίο μπορεί να παραμείνει όταν αφαιρεθεί το εξωτερικό πεδίο, αφήνοντας έναν μόνιμο μαγνήτη. Ο σίδηρος είναι το πιο γνωστό στοιχείο αυτού του τύπου, αλλά άλλα μεταλλικά στοιχεία, όπως το κοβάλτιο, το νικέλιο, το γαδολίνιο και το δυσπρόσιο, επιδεικνύουν επίσης αυτή την επίδραση. Πολύ ισχυροί μαγνήτες μπορούν να κατασκευαστούν από κράματα των μετάλλων σπανίων γαιών νεοδύμιο και σαμάριο.
Τα παραμαγνητικά υλικά παράγουν ένα μαγνητικό πεδίο ως απόκριση σε ένα εξωτερικό, παράγοντας μια σχετικά ασθενή έλξη που δεν είναι επίμονη. Ο χαλκός και το αλουμίνιο είναι παραδείγματα. Ένα άλλο παράδειγμα είναι το οξυγόνο. Σε αυτή την περίπτωση, το αποτέλεσμα αποδεικνύεται καλύτερα με το στοιχείο σε υγρή μορφή.
Οι διαμαγνητικές ουσίες δημιουργούν ένα μαγνητικό πεδίο που αντιτίθεται σε ένα εξωτερικό πεδίο, παράγοντας απώθηση. Όλες οι ουσίες δείχνουν αυτό το αποτέλεσμα, αλλά συνήθως είναι πολύ αδύναμο και πάντα πιο αδύναμο από τον σιδηρομαγνητισμό ή τον παραμαγνητισμό. Σε λίγες περιπτώσεις, όπως μια μορφή άνθρακα που ονομάζεται πυρολυτικός γραφίτης, το αποτέλεσμα είναι αρκετά ισχυρό ώστε να επιτρέπει σε ένα μικρό κομμάτι υλικού αυτού του τύπου να επιπλέει στον αέρα ακριβώς πάνω από μια διάταξη ισχυρών μαγνητών.
Υπολογισμός και μέτρηση ροής
Ο υπολογισμός της ροής για μια επίπεδη επιφάνεια σε ορθή γωνία προς την κατεύθυνση ενός μαγνητικού πεδίου είναι απλός. Συχνά, ωστόσο, είναι απαραίτητο να υπολογιστεί η ποσότητα για ένα πηνίο σύρματος, γνωστό και ως σωληνοειδές. Υποθέτοντας ότι το πεδίο είναι κάθετο στο σύρμα, η συνολική ροή είναι η ισχύς του μαγνητικού πεδίου πολλαπλασιαζόμενη επί την περιοχή από την οποία διέρχεται πολλαπλασιασμένη με τον αριθμό των στροφών στο πηνίο. Όταν το πεδίο δεν βρίσκεται σε ορθή γωνία με την επιφάνεια, πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η γωνία που σχηματίζουν οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου προς την κάθετη και το γινόμενο πολλαπλασιάζεται με το συνημίτονο αυτής της γωνίας.
Ένα όργανο που ονομάζεται ροόμετρο χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της ποσότητας του πεδίου. Βασίζεται στο γεγονός ότι ένα μαγνητικό πεδίο θα δημιουργήσει ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα καλώδιο εάν τα δύο κινούνται το ένα σε σχέση με το άλλο. Αυτό το ρεύμα μπορεί να μετρηθεί για να προσδιοριστεί η ροή.
Μαγνητική Ροή στη Γεωλογία
Η μέτρηση της μαγνητικής ροής σε διάφορα σημεία της επιφάνειας της Γης δίνει τη δυνατότητα στους επιστήμονες να παρακολουθούν το μαγνητικό πεδίο του πλανήτη. Αυτό το πεδίο, που πιστεύεται ότι δημιουργείται από ηλεκτρικά ρεύματα στον σιδερένιο πυρήνα της Γης, δεν είναι στατικό, αλλά μετατοπίζεται με την πάροδο του χρόνου. Οι μαγνητικοί πόλοι έχουν, στην πραγματικότητα, αντιστραφεί πολλές φορές στο παρελθόν και πιθανότατα θα το κάνουν ξανά στο μέλλον. Τα αποτελέσματα μιας αντιστροφής πόλου μπορεί να είναι σοβαρά, καθώς κατά τη διάρκεια της αλλαγής, η ισχύς του πεδίου θα μειωνόταν σε μεγάλο μέρος του πλανήτη. Το μαγνητικό πεδίο της Γης προστατεύει τη ζωή στον πλανήτη από τον ηλιακό άνεμο, ένα ρεύμα ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων από τον Ήλιο που θα ήταν επιβλαβές.
ΜΟΝΑΔΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ
Η ισχύς ενός μαγνητικού πεδίου, ή η πυκνότητα της μαγνητικής ροής, μετριέται σε Teslas, μια μονάδα που πήρε το όνομά του από τον ηλεκτρολόγο μηχανικό Νίκολα Τέσλα. Η ροή μετριέται σε Webers, που πήρε το όνομά του από τον φυσικό Wilhelm Eduard Weber. Ένα Weber είναι 1 Tesla πολλαπλασιαζόμενο επί 1 τετραγωνικό μέτρο και ένα Tesla είναι 1 Weber ανά τετραγωνικό μέτρο.