デコードされた磁場：原則、測定、および実用的な用途
磁場と材料や電流との相互作用は、物理学の主要な部分です。彼らはテクノロジー、医学、日常生活に多くの用途を持っています。縦方向および円形の磁場を研究することは、中空のオブジェクトの検査に損傷を与えない材料をテストすることから、さまざまな状況での磁気挙動を説明するのに役立ちます。磁気測定、電磁石、単純なコンパスなどの方法は、科学と産業の両方で磁場を正確に測定および使用するのに役立ちます。効率的な電気回路と磁気デバイスを設計するのに最適な導体、ソレノイド、コイルの周りで磁場がどのように機能するかを理解します。インダクタンスや右側のルールなどの原則は、MRIマシンから粒子加速器まで、革新的なアプリケーションにとって価値があります。この記事では、磁場の効果、それらの測定方法、導体やコイルの周りの動作、および実用的な使用のための磁場を作成および強化する方法について説明します。カタログ
図1：バー磁石の磁場線
磁場とは何ですか？
磁場は、磁石を囲む磁石を囲む目に見えない領域で、他の磁石または鉄のような強磁性材料に力をかけることができます。私たちはフィールドを見ることができませんが、その存在は、鉄ファイリングのアライメントやコンパスの針のたわみなど、その効果を通して明らかです。このフィールドにより、磁石は他の磁石や強磁性材料を引き付けたり撃退したりすることができます。
図2：磁場ソース
電荷が移動するたびに磁場が形成されます。アンドレ・マリー・アンペールによって最初に明確にされたこの原則は、電流が磁場を生成すると述べています。電子は、紡績と原子核の周りを回る、またはワイヤーを通過することを通して、これらのフィールドを生成します。電子のスピンと軌道の動きは、磁場の方向と強度を決定します。電流が導体を通過すると、電流の強度と方向の影響を受ける磁場が作成されます。鉄で作られたバーの磁石のような永久磁石は、分子の整列により、強く、一貫した磁場を生成します。導体が磁石の近くにある場合、磁場は導体の移動電荷と相互作用し、電流を誘導し、独自の磁場を作成します。これらの相互作用は、魅力的または反発的な力をもたらす可能性があります。
磁場プロパティ
磁場には異なる特性があります：強度、方向、極性。
図3：磁場強度
磁場強度
磁場の強度、または磁束密度は、主にそれを生成した導体を通る電流に依存します。より高い電流は、より強い磁場をもたらします。磁場線は視覚的にフィールドの強度を表します。それらはより強いフィールドで密度が高く、より弱いフィールドでより間隔が出ます。この関係はソレノイドで明確に実証されており、コイルの数を増やすと磁場が向上します。複数の磁場間の相互作用は、その方向に応じて、個々の強さを強化または弱めることができます。磁場の強度は、そのソースからの距離とともに減少し、フィールドの強さと距離の間に逆の関係を示します。
磁場方向
磁場の方向は、フィールド内に配置された場合、北極が続く経路です。力の線は、この軌道を視覚化します。コンパスは、針が磁場と整列するため、フィールドの方向を決定するための実用的なツールです。フィールドの方向は、移動料金への影響から推測することもできます。磁場を通過する電荷は、フィールドの方向とその動きの両方に垂直な力を経験し、フィールドの方向を決定するのに役立ちます。
図4：磁場の方向と同じコンパス矢印の方向
磁場極性
磁気の理解は、極性に大きく依存しています。すべての磁石には、電気の正と負の電荷に似た2つの極があります。これらの極は北極と南極と呼ばれます。この命名は地球の地理的極を反映していますが、興味深いことに、地球の北の磁性極は地理的南極の近くにあり、その逆も同様です。これは、磁気現象と地理的現象の複雑なリンクを示しています。
磁石2つの極は北と南です。これらの極は、正と負の電荷のように機能します。反対側の極は引き付けますが、極は反発します。たとえば、2つの磁石を近くに置くと、1つの北極がもう片方の南極を引き付けます。ただし、2つの北極を1つまたは2つの南極を一緒に持ち込もうとすると、それらは互いに押しのけられます。この魅力と反発は、磁石が互いに磁気材料と相互作用する方法を説明しています。
図5：磁場極性
磁場の影響
磁場は、特に核の周りに電子が周回する原子に、材料に大きな影響を与えます。磁場が適用されると、これらの電子はフィールドに並んで、材料を磁気にします。これにより、材料が磁場の強度とどの方向に向けられているかに応じて、磁場に引き付けられたり、磁場から撃退されたりする可能性があります。時々、このアライメントは、素材の形状を変えることさえあります。
磁場は、電子を回路で動かし、磁石の振る舞いに影響を与える役割を果たします。1つの概念はインダクタンスです。これは、電流を運ぶワイヤーが磁場にあるときに起こります。ワイヤーは、電流の変化に反対する力を感じます。これは、電気変圧器や発電機などのデバイスに適しています。磁場は、特定の材料を光を放出する可能性があります。これは、電気ルミネセンスとして知られる現象です。これは、フラットスクリーンディスプレイや緊急標識などで使用されます。
磁場の測定
磁場は、さまざまな方法を使用して測定できます。磁気計は磁場の強度と方向を正確に測定します。電磁電場がコイルを通過するときに磁場を生成する電磁石も測定に使用できます。コンパスは、フィールドの方向を決定する簡単な方法を提供します。これらの方法により、磁場の正確な評価が可能になり、さまざまな技術での研究と応用が促進されます。
図6：磁力計
図7：電磁石
フィールドインジケーター
フィールドインジケーターは、磁場を測定するための重要なツールであり、磁気環境に関する定性的および時には定量的な情報の両方を提供します。これらのデバイスは、磁場に応答して移動する柔らかい鉄のベーンを使用します。X線画像など、それらを詳細に調べると、内部のメカニズムが明らかになります。鉄のベーンは針に取り付けられており、針はスケールに沿ってポインターを動かし、磁場の影響を読み取り可能な値に変換します。
図8：フィールドインジケーター
フィールドインジケータは、微調整とキャリブレーションを通じて精度を獲得します。これにより、特定の範囲内で正確な定量的データを提供できます。それらは、+20ガウスから-20ガウスまでの磁場を測定しているため、消磁後の残留磁場の検出などの用途に最適です。それらの範囲は限られていますが、それらの精度と信頼性により、これらの制約内での詳細な磁場測定に有益になります。実際に使用すると、フィールドインジケーターは、複雑な電子機器なしで簡単で強力な測定を必要とする状況で優れています。それらの機械的シンプルさは、使いやすさと耐久性を保証し、迅速で信頼できる測定が必要なさまざまな産業および実験室の設定で好ましい選択となります。
ホールエフェクト（ガウス/テスラ）メーター
図9：ホール効果
ホール効果メーターは、磁場強度を正確に測定するための高度な機器であり、ガウスまたはテスラの測定値を提供します。機械的フィールドインジケーターとは異なり、ホール効果メーターは電子コンポーネントを使用し、精度と汎用性を向上させます。プローブチップに小さな導体または半導体要素があります。電流が磁場でこの要素を通過すると、電子は片側に変位し、1879年にエドウィンH.ホールによって発見された現象であるホール電圧として知られる電圧の違いを作成します。
図10：ホール効果メーターの概略図
この電圧を管理する関係は、次のことで与えられます。
どこ：
•VHはホールの電圧です。
•私は応用電流です、
•Bは垂直磁場成分です。
•RHはホール係数、
•Bはホール要素の厚さです。
ホール効果メーターには、接線方向（横）または軸センシング要素を特徴とするさまざまなプローブが付属しています。さまざまなサイズで利用可能なこれらのプローブは、特定の測定範囲に合わせて調整されており、さまざまなシナリオで柔軟性が可能になります。正確な測定値は、正しいプローブの位置決めに依存し、磁力線が直角に感知要素の主要な寸法と交差しています。ホール効果メーターの汎用性により、工業製造から科学研究まで、幅広い用途に適しています。彼らのデジタル読み取りと他のデジタルシステムとの互換性は、最新の自動化された環境でのユーティリティを向上させます。プローブの配置とホール効果の物理学を習得することにより、ユーザーはこれらの高度な機器を完全に活用して、正確な磁場測定を行うことができます。
縦方向の磁場
縦方向の磁場は、幅よりもはるかに長いコンポーネントに作成されます。これは通常、「コイルショット」として知られるコイルまたはソレノイド内の濃縮磁場に縦方向に成分を配置することによって行われます。コンポーネントの内部では、磁束線はまっすぐで、一方の端からもう一方の端に移動しますが、一部のフラックスは失われます。図はこれを2次元で示していますが、フラックス線は実際には3次元です。強磁性材料は、透過性が高いため、空気と比較してフラックスライン密度がはるかに高くなっています。
フラックスは材料を端に残して空気に入ると、空気が単位体積あたりの多くのフラックスラインをサポートできないため広がります。この広がりにより、いくつかのフラックスラインがコンポーネントの側面を出ます。コンポーネントがその長さに沿って完全に磁化されると、フラックス損失は最小限であり、その結果、均一なフラックス密度が生じます。非破壊検査（NDT）を実行する場合、フラックスラインに垂直な欠陥が表面に検出可能な漏れフィールドを引き起こす均一性が重要です。
図11：縦方向の磁場
ただし、ソレノイドを使用して成分を磁化すると、その一部のみが強く磁化される可能性があります。ソレノイド内の領域と両側の小さなマージンは磁化されますが、これを超えてフラックスラインは成分を離れ、ソレノイドの極に戻ります。これは、磁気力がソレノイドからの距離とともに弱くなり、磁気ドメインがその内部とその近くのみを調整するためです。コンポーネントの磁化されていない部分は、磁化された部分ほどフラックスをサポートできず、コンポーネントからいくらかのフラックスを強制します。長いコンポーネントを徹底的に検査するには、それらを磁化し、長さに沿って複数の場所で検査する必要があります。
円形磁場
電流が固体導体を流れると、導体の周りに磁場が生成されます。フィールドの分布と強度は、いくつかの要因に依存します。導体の中心では、電界強度はゼロで、表面で最大に達します。一定の電流の場合、導体の半径が増加すると表面の磁場強度が低下しますが、より大きな導体はより電流を運ぶことができます。導体の外では、電界強度は電流に直接比例しますが、内部は電流、材料の磁気透過性、およびB-H曲線上の位置に依存します。導体の外側の電界強度は距離とともに減少します。
直接電流（DC）を運ぶ非磁性導体では、内部フィールド強度は中心のゼロから表面の最大まで上昇しますが、外部フィールド強度は表面からの距離とともに減少します。磁気材料では、材料の透過性により、内部フィールドの強度が高くなります。電流と導体の半径が同一である場合、両方の材料で外部フィールドの強度は同じままです。
交互の電流（AC）を使用すると、内部フィールド強度も中心のゼロから表面の最大まで上昇しますが、「皮膚効果」として知られる表面近くの薄い層に集中します。外部フィールドは、DCと同様に距離とともに減少します。中空の円形導体では、ボイド領域に磁場は存在しません。フィールド強度は、内側の壁のゼロから始まり、外の壁で最大に達します。固体導体と同様に、磁気材料は透過性のためにより大きなフィールド強度を示し、外部は表面からの距離とともに減少します。
ACを運ぶ中空の導体では、皮膚効果は外径に磁場を集中します。中空導体の内面の電界強度は、直接磁化によって円形の磁場が確立されると非常に低くなります。したがって、浅い欠陥について中空成分の内径（ID）壁を検査するためには、直接的な方法は推奨されません。フィールド強度はIDから外側に急速に増加し、より深い欠陥を検出可能にします。
IDと外径（OD）の両方の表面を検査するための中空成分を磁化するためのより良い方法は、中央の導体を使用しています。銅バーなどの非磁性中央導体を通過する電流は、OD表面の欠陥を検出するための十分なフィールド強度を維持しながら、磁気チューブのID表面に強い磁場を作成します。
図12：円形磁場
導体の周りの磁場
電流が導体を通過すると、磁場がその周りに形成されます。この現象は、段ボールに鉄のファイリングを使用して、垂直の導体を通過して実証できます。電流がない場合、磁場はありませんが、電流では、導体の周りに同心円状のリングに出願が配置されます。電流運搬導体の周りの磁場の方向は、磁気コンパスを使用して探索できます。電流の方向に応じて、それに応じてコンパスの針が時計回りまたは反時計回りのいずれかを整列させます。右側のネジルールと右側のルールは、導体の周りの磁束方向を決定する直感的な方法を提供します。2つの導体が反対方向に電流を運ぶと、磁場は互いに反対し、反発力を生み出します。電流が同じ方向に流れる場合、磁場が結合し、導体に引力を発揮します。
ワイヤーが電流を運ぶと、その周りの磁場線がほぼ完全な円を形成します。ワイヤーを中心としたこれらの円は、磁場がワイヤーからどのように広がるかを示します。ワイヤーからさらに進むほど、磁場は弱くなります。ワイヤーがループを形成すると、ループの中心に向かって移動すると円が大きくなります。これは、磁場がさらに広がることを意味します。中央の近くで、これらの円はまっすぐな平行線に変化し、ここの磁場が均一であることを示しています。この均一性により、技術と科学の磁場を計算して使用しやすくなります。
図13：磁場電流導体
ループの中心では、磁場はどこでもほぼ同じ強度です。この均一なフィールドは、正確なイメージングには定常磁場が必須であるMRIマシンのようなものに適しています。また、予測可能な磁場に依存する実験の安定した領域を提供します。ループの中心にある磁場の強度は、ワイヤーを流れる電流に依存します。より多くの電流は、より強い磁場を意味します。ループが小さく、ループが大きくなると磁場強度が強くなります。
コイルの周りの磁場
コイルを通過する電流を1回ターンしても、コイルの中心を通る磁束を作成し、小さな磁石のように北と南極を与えます。コイルにソレノイドを形成する複数のターンがある場合、個々の磁場がリンクして、バー磁石に似た統一フィールドを作成します。右側のルールは、電流の方向と磁束が相互に関連しているソレノイドのフラックス方向を決定できます。
図14：コイルの周りの磁場
電気がワイヤーを通って移動すると、周囲に円形の磁場が作成されます。電磁気におけるこの基本的なアイデアは、現在の運搬導体からの磁場として知られています。右側のルールを使用してこの磁場の方向を把握できます。電流の方向に右親指を向けると、指は磁場の方向にカールします。このフィールドは、磁気コンパスの針を動かすなど、顕著な効果を引き起こす可能性があり、電流と磁場がどのように相互作用するかを示します。
磁場の強度は、2つの主な要因に依存します。ワイヤーからどれだけ離れているか、電流がどれだけ強いかです。ワイヤーに近づき、電流が増加するにつれて強くなると、フィールドは強くなります。これは、磁場強度が電流に直接関連していることを示しています。
ワイヤーのコイル（ソレノイド）
図15：ソレノイド磁場
ソレノイドは、電気が流れると磁場が強くなるワイヤのコイルです。ソレノイドは、ワイヤーをスパイラル形状に包み、バーの磁石のような磁場を作成することによって作られます。ソレノイドの内部では、磁場は強力であり、各コイルからの小さなフィールドが合計されているためです。右側のルールを使用してソレノイドの磁場の方向を見つけることができます。指が電流の方向を指している場合、親指は電磁石の北極を指します。
ソレノイドの磁場はバー磁石に似ており、電流が逆転すると方向を変化させ、電磁界がどのように変化するかを示します。ソレノイド内の磁場の式はb =μ₀niであり、nは単位の長さあたりのコイルの数で、iは電流です。この式は、コイルを追加するか、電流を増やすと磁場が強くなることを示しています。ソレノイドは、強力で均一な磁場を作成するため、機械、MRIスキャナー、および物理実験で使用されます。
コイルに形作られた現在の運搬導体
図16：磁場での電流コイルの回転効果
電流を運ぶ電流がループまたは一連のループに形作られると、一意の磁場が作成されます。このフィールドは、コイルの中心を通過し、外側の周りに円を描きます。各ループのフィールドが組み合わされて、コイルの中心に沿って濃縮されたフィールドを作ります。しっかりと巻かれたコイルでは、これにより磁場が非常に均一になります。このフィールドの強度は、電流とループの数に依存します。より多くのループがフィールドを強くするため、長くストレートコイル（ソレノイド）がバーの磁石のような強力で均一なフィールドを作成するのに効果的です。
ソレノイド内の強力で均一な磁場は、材料の磁気に役立ち、電気回路、変圧器、およびその他のデバイスで使用されます。コイルの外側の磁場は弱く、磁化には役に立ちません。これは、実用的な用途のためのソレノイドの内部フィールドの重要性を示しています。ソレノイドは、粒子加速器とセンサーにも使用され、技術と科学における幅広い用途を実証しています。
磁場のセットアップ
電流がワイヤーまたはコイルを流れるたびに磁場が作成されます。右側のルールは、磁場の方向を決定するのに役立ちます。電流の方向に右親指を向け、指が磁場線の方向にカールします。
強力な磁場を作るには、電磁気を使用する必要があります。電磁石は、電流を電流と磁気材料（通常は鉄）と組み合わせて、磁気効果を高めます。これは、小さなデバイスからヘビーメタルオブジェクトを持ち上げる大型マシンまで、多くのことで使用されています。磁場の強度は、ワイヤーがコアに巻かれた回数、電流の量、ワイヤとコアの材料の特性に依存します。
大きな爪など、長さ6〜8インチのロッドのように、鉄片を選ぶことから始めます。鉄の棒のサイズは、電磁石が必要なものによって異なる場合があります。コアを手に入れたら、一方の端からもう一方の端に磁気ワイヤーでしっかりと包みます。ワイヤーは密接かつ安全に巻き、接続のために両端に垂れ下がったワイヤーの残りをします。ロッドにしっかりとワイヤーをテープで留めます。
電磁石を電源に接続する前に、各ワイヤ端の最後のインチから断熱材を取り除きます。断熱材を軽いまたは一致させて、除去するのに十分な柔らかくなるまで加熱し、布で残留物をきれいにして、電気接続を良くします。露出したワイヤーの端をランタンバッテリーに取り付けます。このセットアップにより、電流がワイヤーを流れるようになり、鉄のコアの周りに磁場が作成され、強力な磁場を作る際の電磁気の基本が示されます。
強力な磁場を作成する主な方法は2つあります。1つ目は、電流が流れるときに磁場を作るワイヤのコイルであるソレノイドを使用することです。2番目の方法は、鉄のコアをソレノイド内に置くことです。これにより、磁気抵抗を減らすことで磁場がはるかに強くなります。鉄のコアは、飽和と呼ばれる磁場をどれだけ強くすることができるかに制限があります。このポイントに達すると、フィールドを強くすることはできません。これは鉄自体の特性であり、進行中の研究でさえ、鉄の飽和値を上回ることができる材料を見つけることはありそうもない。したがって、磁場の強度は鉄のコアの特性によって制限され、新しいソリューションはこれらの制限を超えています。
磁場のアプリケーション
磁場には、発電、医療イメージング、輸送など、多数の用途があります。それらは、MRIマシンの操作と訓練の浮上の主な部分です。マグネットは、ハードドライブとクレジットカードにデータを保存し、最新のテクノロジーで役割を果たします。地球の磁場は、私たちを有害な宇宙放射から保護し、生涯の重要性を強調しています。磁場の幅広い応用は、日常生活と高度な科学的努力におけるその重要性を強調しています。
結論
磁場は、材料の電子挙動の基本原理から、医療イメージングやデータストレージの高度な使用まで、多くの科学的および技術分野で有用です。磁場の正確な操作と測定により、エレクトロルミンセンターデバイスの開発、効率的な発電、高度な輸送システムなど、大きな進歩が生じています。導体とコイルの周りの磁場を研究することは、電磁気に関する洞察を提供し、予測可能で制御可能な磁気特性を備えたデバイスの作成を可能にします。右側のルールやインダクタンスの原則などの手法は、これらのデバイスの設計と最適化に適しています。ソレノイドや鉄のコアの使用など、強力な磁場を生成する方法は、電磁技術の継続的な革新を示しています。磁場の応用は、産業的および技術的使用を超えており、日常生活と科学的研究におけるそれらの重要性を強調しています。磁場を理解することは、科学的知識を進歩させるだけでなく、多くの分野でイノベーションを促進し、電磁現象を習得することの重要性を示しています。
よくある質問[FAQ]
1.コイルの周りの磁場をどのように説明しますか？
コイルの周りの磁場は、ソレノイドとも呼ばれ、バー磁石のフィールドに似ています。コイルの内部では、磁場線は平行で密度が高く、均一に間隔が並んでおり、強力で均一なフィールドを示しています。コイルの外では、磁場線が広がり、コイルの一方の端からもう一方の端に戻ってループし、閉じたループを形成します。フィールドラインの方向は、右側のルールに従って、コイルを通る電流の方向によって決まります。
2.導体の周りの磁場は何ですか？
電流がまっすぐな導体を流れると、周囲の磁場が生成されます。このフィールドは導体の周りに同心円状の円を形成し、右側のルールで与えられるフィールドラインの方向を形成します。導体を右手で把握して、親指が電流の方向に向かってポイントすると、指は丸くなります磁場の方向。導体から離れると磁場の強度が低下します。
3.導体の周りの磁場の形成の原因は何ですか？
電荷の動き（電流）のために、導体の周りに磁場が形成されます。電子が導体を通って移動すると、動きの方向に垂直な磁場を生成します。これは、導体の周りの磁場を通過する電流に関連付けるAmpèreの循環法の直接的な結果です。
4.磁石をワイヤのコイルに移動するとどうなりますか？
磁石がワイヤーのコイルに移動すると、コイルに電気電流を生成する電流を生成する電流を生成します。この現象は、マイケル・ファラデーによって発見された電磁誘導として知られています。誘導電流の方向は、磁石の動きの方向と磁場の方向に依存します。磁石がより速く移動するか、磁場が強い場合、誘導されたEMFと電流が強くなります。
5.導体の周りの磁場のパターンは何ですか？
電流を運ぶまっすぐな導体の周りの磁場パターンは、導体を中心とした同心円によって特徴付けられます。導体がループに曲がっている場合、フィールドラインはより複雑なパターンを形成し、ループ内のフィールドがより強く、より濃縮されます。ソレノイドの場合、内部のフィールドは均一で平行ですが、外側はバーの磁石のフィールドに似ています。
6.コイルの周りの磁場をどのように強くすることができますか？
コイルの周りの磁場をより強くするには、次のことができます。
コイルを介して流れる電流を増やします。
コイルにさらにターンを追加し、ループの数を増やします。
鉄などの強磁性コアをコイル内に挿入して、コアの磁気透過性のために磁場を強化します。
7.磁場はどこで最も強いですか？
磁場はコイル内、特に中心近くで最も強く、フィールドラインが最も濃縮され、均一に平行です。バーの磁石では、磁場が極で最も強く、フィールドラインが収束し、フィールド密度が最も高くなります。