Was ist eine Magnetfeldkraft?
Die Magnetfeldkraft ist der Effekt, den ein Magnetfeld auf ein geladenes Teilchen wie ein Molekül ausübt oder auf dieses einwirkt, wenn es durch dieses Feld geht. Diese Kräfte treten immer dann auf, wenn sich ein elektrisch geladenes Molekül in der Nähe eines Magneten befindet oder wenn Elektrizität durch einen Draht oder eine Spule fließt. Die Magnetfeldkraft kann verwendet werden, um Elektromotoren anzutreiben und chemische Strukturen von Materialien zu analysieren, da Partikel darauf reagieren.
Wenn elektrischer Strom durch einen Draht fließt, erzeugt der Elektronenfluss ein Magnetfeld, das eine Kraft erzeugt, die auf andere Materialien einwirken kann. Ein übliches Beispiel für eine Magnetfeldkraft ist ein Elektromotor, der einen sich bewegenden Rotor mit umwickelten Drähten verwendet, der von einem Stator mit zusätzlichen Spulen umgeben ist. Wenn die Statorspulen mit elektrischem Strom beaufschlagt werden, erzeugen sie ein Magnetfeld, und die Kraft dieses Feldes erzeugt ein Drehmoment, das den Rotor bewegt.
Die Richtung der Magnetfeldkraft kann mit der sogenannten Rechtsregel beschrieben werden. Eine Person kann mit Daumen, Zeigefinger oder erstem Finger und zweitem Finger in drei verschiedene Richtungen zeigen, die häufig als X-, Y- und Z-Achse bezeichnet werden. Jeder Finger und der Daumen sollten in einem Winkel von 90 Grad zueinander stehen. Wenn die Person also den Zeigefinger nach oben zeigt, zeigt der zweite Finger nach links und der Daumen zeigt direkt auf die Person.
Bei dieser Anordnung der Finger zeigt jeder Finger die Richtungen des elektrischen Flusses (Zeigefinger), das Magnetfeld (zweiter Finger) und die resultierende Magnetfeldkraft (Daumen) an. Wenn die vier Finger der Hand in Richtung der Handfläche gebogen sind, zeigt dies die Richtung des Magnetfelds an, wobei der Daumen immer noch die Richtung der Kraft anzeigt. Die Verwendung der rechten Regel ist eine einfache Möglichkeit für Schüler, Magnetfelder zu erlernen, um die Auswirkungen von Strömen und Kräften zu sehen, die sich daraus ergeben.
Magnetfelder können im Labor zur Analyse von Materialien sehr nützlich sein. Wenn ein Material identifiziert oder in seine molekularen Bestandteile zerlegt werden muss, kann die Probe ionisiert werden, wodurch das Material in ein Gas mit positiven oder negativen elektrischen Ladungen umgewandelt wird. Dieses ionisierte Gas wird dann durch ein starkes Magnetfeld geleitet und tritt in einen Sammelbereich aus.
Die Masse oder das Gewicht jedes ionisierten Partikels der Testprobe reagiert unterschiedlich auf die Magnetfeldkraft, und die Partikel werden leicht aus einer geraden Richtung gebogen. Ein Sammelgerät registriert, wo jedes Teilchen auf den Detektor auftrifft, und Computersoftware kann das Molekül anhand seiner Interaktion mit dem Feld identifizieren. Ein Gerätetyp, der diese Technologie verwendet, wird als Massenspektrometer bezeichnet und wird häufig zur Identifizierung unbekannter Substanzen verwendet.
Eine andere Verwendung von Magnetfeldern, um Änderungen in ionisierten Materialien zu bewirken, ist ein Teilchenbeschleuniger. Im späten 20. Jahrhundert befand sich der größte Teilchenbeschleuniger, der zu dieser Zeit gebaut wurde, an der Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich. 27 Kilometer Beschleuniger befanden sich tief unter der Erde in einer großen Schleife. Die Ausrüstung nutzte die Magnetfeldkraft, um geladene Teilchen schnell in die Schleife zu beschleunigen, wo zusätzliche Felder weiter beschleunigten oder die geladenen Teilchen beschleunigten.
Während die Teilchen mit hoher Geschwindigkeit den großen Kollektor umkreisten, wurden sie durch andere Magnetfeldsteuerungen verwaltet und zu Kollisionen mit anderen Materialien geschickt. Dieses Gerät wurde gebaut, um Kollisionen mit hoher Energie zu testen, die denen ähneln, die in der Sonne oder in anderen Sternen und bei nuklearen Reaktionen beobachtet werden. Der unterirdische Ort wurde genutzt, um zu verhindern, dass Partikel den Weltraum stören, da die Gesteinsschichten über dem Beschleuniger Hochgeschwindigkeitsenergie und Ionen absorbierten.