Magnetiskt flöde är mängden magnetfält som penetrerar ett område i rät vinkel mot det. I en enkel situation där fältet passerar i rät vinkel genom en plan yta, är denna kvantitet magnetfältets styrka multiplicerad med ytans yta. I de flesta verkliga situationer måste dock andra faktorer beaktas. Magnetiskt flöde är ett viktigt begrepp inom många vetenskapsområden, med tillämpningar som rör elmotorer, generatorer och studier av jordens magnetfält. Det representeras i fysiken av den grekiska bokstaven phi, φ.
Gauss lag
En stångmagnet har två poler som kallas norr och söder på grund av hur de reagerar på jordens magnetfält, som är ungefär nord-sydlig inriktad. Det är en vetenskaplig konvention att linjerna för magnetisk kraft flyter från norr till söder. Om en person tar den tvådimensionella rektangulära ytan vid den norra änden av en stångmagnet, har den ett magnetiskt flöde, liksom ytan vid sydpolen. Magneten som helhet har dock inget flöde, eftersom de norra och södra ändarna är lika starka och fältet ”flyter” från nordpolen till sydpolen och bildar en sluten slinga.
Gauss lag för magnetism säger att det magnetiska flödet alltid är noll för en sluten yta, såsom en sfär, en kub eller en stångmagnet. Det är ett annat sätt att säga att ett föremål, hur litet det än är, med en nordpol alltid måste ha en sydpol av samma styrka och vice versa. Allt som har ett magnetfält är en dipol, vilket betyder att det har två poler. Vissa forskare har spekulerat i att magnetiska monopoler kan finnas, men ingen har någonsin upptäckts. Om de hittas måste Gauss lag ändras.
Faradays lag
Faradays lag säger att en förändring i magnetiskt flöde kommer att skapa en spänning, eller elektromotorisk kraft (EMF), i en trådspole. Att bara flytta en magnet nära en trådspole kommer att uppnå detta, liksom en förändring i styrkan på magnetfältet. Den producerade spänningen kan bestämmas från förändringshastigheten i magnetiskt flöde och antalet varv i spolen.
Det är principen bakom elgeneratorer, där rörelse skapas av till exempel rinnande vatten, vind, eller en motor som drivs av fossila bränslen. Magneter och trådspolar omvandlar denna rörelse till elektrisk kraft, i enlighet med Faradays lag. Elmotorer visar samma idé omvänt: en elektrisk växelström i trådspolar interagerar med magneter för att producera rörelse.
Magnetiska material
Material varierar i sina reaktioner på magnetfält. Ferromagnetiska ämnen producerar ett starkare magnetfält i sig, och detta fält kan kvarstå när det externa fältet avlägsnas och lämnar en permanent magnet. Järn är det mest kända grundämnet av denna typ, men andra metalliska grundämnen, såsom kobolt, nickel, gadolinium och dysprosium, visar också denna effekt. Mycket kraftfulla magneter kan tillverkas av legeringar av de sällsynta jordartsmetallerna neodym och samarium.
Paramagnetiska material producerar ett magnetiskt fält som svar på ett yttre, vilket ger en relativt svag attraktion som inte är ihållande. Koppar och aluminium är exempel. Ett annat exempel är syre; i detta fall visas effekten bäst med elementet i flytande form.
Diamagnetiska ämnen skapar ett magnetiskt fält som står i motsats till ett yttre fält och producerar repulsion. Alla ämnen visar denna effekt, men den är normalt mycket svag och alltid svagare än ferromagnetism eller paramagnetism. I ett fåtal fall, till exempel en form av kol som kallas pyrolytisk grafit, är effekten stark nog att tillåta en liten bit material av denna typ att sväva i luften precis ovanför ett arrangemang av starka magneter.
Beräkna och mäta flöde
Att beräkna flödet för en plan yta i rät vinkel mot ett magnetfälts riktning är enkelt. Ofta är det dock nödvändigt att beräkna mängden för en trådspole, även känd som en solenoid. Om man antar att fältet är vinkelrät mot tråden, är det totala flödet magnetfältets styrka multiplicerat med området genom vilket det passerar multiplicerat med antalet varv i spolen. Om fältet inte är i rät vinkel mot ytan, måste vinkeln som magnetfältslinjerna gör mot vinkelrät beaktas, och produkten multipliceras med cosinus för denna vinkel.
Ett instrument som kallas flödesmätare används för att mäta fältets kvantitet. Det bygger på det faktum att ett magnetfält kommer att skapa en elektrisk ström i en tråd om de två rör sig i förhållande till varandra. Denna ström kan mätas för att bestämma flödet.
Magnetiskt flöde i geologi
Mätningen av magnetiskt flöde vid olika punkter på jordens yta gör det möjligt för forskare att övervaka planetens magnetfält. Detta fält, som tros genereras av elektriska strömmar i jordens järnkärna, är inte statiskt, utan skiftar över tiden. De magnetiska polerna har faktiskt vänt många gånger tidigare och kommer sannolikt att göra det igen i framtiden. Effekterna av en polvändning kan vara allvarliga, eftersom fältets styrka under bytet skulle minska över stora delar av planeten. Jordens magnetfält skyddar livet på planeten från solvinden, en ström av elektriskt laddade partiklar från solen som skulle vara skadliga.
Måttenheter
Styrkan hos ett magnetfält, eller den magnetiska flödestätheten, mäts i Teslas, en enhet uppkallad efter elektroingenjören Nikola Tesla. Fluxet mäts i Webers, uppkallat efter fysikern Wilhelm Eduard Weber. En Weber är 1 Tesla multiplicerat med 1 kvadratmeter, och en Tesla är 1 Weber per kvadratmeter.