Меню

Электромагнетизм проводник с током

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Электромагнетизм. Введение

Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассказывал о принципе действия конденсатора, который является одним из типов реактивных элементов. Вторым типом реактивного элемента является катушка индуктивности или дроссель, который я рассмотрю в следующих статьях. Сегодняшняя статья посвящена магнитному полю и его свойствам, без которого невозможно описать принцип действия индуктивных элементов.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Что такое магнитное поле?

В одной из предыдущих статей, рассказывая об электрическом поле, я упомянул, что оно является частью общего электромагнитного поля. Не трудно догадаться, что второй частью является магнитное поле, дополняющее картину взаимодействия электрических зарядов.

Использование магнитов началось давно, так, к примеру, магнитный компас используется уже более 4000 лет, а исследованиями магнитных полей занялись в XIII веке. Однако магнетизм, как наука стал распространяться только с XVII века с работ Уильям Гильберт Колчестера. С момента открытия электричества и исследования электрических явлений, стало ясно, что электрические и магнитные явления взаимосвязаны. Данную связь исследовали Андре-Мари Ампер и Джеймс Клерк Максвелл.

В результате этих исследований было установлено, что существуют тела, которые обладают следующими свойствами:

— данные тела притягивают металлические предметы;

— если проводник с током поместить возле данного тела, то на данный проводник будет действовать некоторая сила, которая заставляет перемещаться данный проводник с током;

— если проводник перемещать возле таких тел, то на концах проводника появляется ЭДС (электродвижущая сила), то есть напряжение.

Тела вокруг, которых наблюдались данные явления, назвали магнитами, а пространство вокруг магнитов – магнитными полями. Магнитное поле на поверхности магнита имеет максимальное значение в некоторых точках, которые назвали полюсами магнита. Каждый магнит имеет два полюса: северный, обозначаемый буквой N и южный, имеющий обозначение – S. Магнитное поле состоит из силовых линий, направление, которых приняли считать от северного полюса к южному полюсу.

магнитное поле магнита

Магнитное поле магнита.

Изначально для получения магнитного поля использовали природными магнитами, но после того как обнаружили явление электромагнетизма, то есть свойство проводника с электрическим током, создавать магнитное поле, то начали использовать электромагниты.

Параметры магнитного поля

Изучение магнитного поля, как и любого другого физического явления, происходило на основе экспериментов, в результате которых в 19 веке было установлено два факта:

  1. Магнитное поле воздействует на движущиеся заряды.
  2. Движущиеся заряды создают магнитное поле.

Таким образом, вокруг проводника, по которому протекает электрический ток, возникает магнитное поле, силовые линии которого имеют вид окружностей, расположенных перпендикулярно проводнику. Причем направление магнитных силовых линий проводника с током определяется, так называемым «правилом буравчика», то есть направление магнитных силовых линий, вокруг проводника с током совпадает с направлением вращения рукоятки буравчика, если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока в проводе.

 Магнитное поле проводника с током

Магнитное поле проводника с током и направление действия вектора магнитной индукции.

Магнитное поле характеризуется следующими параметрами: магнитная индукция, магнитный поток, напряженность магнитное поля и магнитная проницаемость. Рассмотрим данные параметры подробнее.

Что такое магнитная индукция?

Магнитной индукцией называется интенсивность магнитного поля в каждой его точке. То есть, перенося определение магнитной индукции на проводник с током, можно сказать, что это силовое поле, которое действует на проводник с током в магнитном поле. Магнитная индукция обозначается буквой В и имеет размерность Тл (тесла). Данное силовое воздействие изображено на рисунке ниже

силовое воздействие на проводник с током в магнитном поле

Рисунок, изображающий силовое воздействие на проводник с током в магнитном поле.

Данный рисунок показывает, что на прямолинейный проводник длиной l, по которому протекает электрический ток силой I, помещенный в магнитное поле с магнитной индукцией B действует сила F. Причем направления действия силы на проводник перпендикулярно протеканию электрического тока и направлению силовых линий магнитного поля.

где F – сила, действующая на проводник с током в магнитном поле,

I – сила тока, протекающего по проводнику,

l – длина проводника, находящегося в магнитном поле.

Таким образом, магнитная индукция B численно равна силе F, действующей на проводник длиной 1 м, по которому протекает сила тока в 1 А.

Магнитная индукция есть векторная величина, направление, которой в каждой точке магнитного поля совпадает с направлением магнитного поля. Таким образом, магнитное поле считается однородным, если векторы магнитной индукции В во всех точках поля одинаковы, иначе магнитное поле считается неоднородным.

Что такое магнитный поток?

Магнитным потоком называется физическая величина пропорциональная количеству силовых линий магнитного поля на определённой площади пространства. Так как силовые линии являются абстрактным понятием, то, следовательно, магнитный поток характеризует интенсивность магнитного поля, то есть магнитную индукцию на данной площади. Магнитный поток обозначается Ф и имеет размерность Вб (Вебер).

Магнитный поток

Изображение магнитного потока.

Таким образом, магнитный поток можно выразить следующим выражением

где В – магнитная индукция,

S – площадь поверхности, для которой рассчитывается магнитный поток.

На рисунке изображены силовые линии магнитного поля, которые перпендикулярны к поверхности S, то есть угол между вектором магнитной индукции В и поверхностью S равен 90°. Однако часто бывает, что необходимо вычислит магнитный поток на плоскости не перпендикулярной вектору магнитной индукции. Для определения такого магнитного потока необходимо привести вектор магнитной индукции к нормали

 Приведение к нормали вектора магнитной индукции

Приведение к нормали вектора магнитной индукции.

Таким образом, итоговое выражение для нахождения магнитного потока будет иметь вид

где В – вектор магнитной индукции,

S – площадь поверхности, на которой находят магнитный поток,

α – угол между вектором магнитной индукции и нормалью к поверхности S.

Что какое магнитная проницаемость?

Параметры магнитного поля в значительной степени зависит от окружающего пространства. Это объясняется тем, что электроны, вращаясь вокруг ядра атома, создают свой собственный микроток, а как известно ток создает магнитное поле. Таким образом, когда внешнее магнитное поле отсутствует, микротоки ориентируются беспорядочным образом и их магнитное поле практически нельзя обнаружить. В случае воздействия внешнего магнитного поля происходит некоторая ориентация микротоков и в результате создаваемое микротоками магнитное поле накладывается на внешнее магнитное поле и изменяют его. Таким образом, под действием внешнего магнитного поля происходит намагничивание веществ, в которых данное магнитное поле распространяется.

Степень намагничивания веществ или их магнитные свойства характеризуются магнитной проницаемостью, которая бывает абсолютной и относительной.

Абсолютная магнитная проницаемость является характеристикой магнитных свойств веществ, обозначается μа или μ. В зависимости от данной величины все вещества делятся на три класса:

— диамагнетики, у которых абсолютная магнитная проницаемость меньше единицы (μ ≤ 1);

— парамагнетики, у которых значение абсолютной магнитной проницаемости больше единицы (μ ≥ 1);

— ферромагнетики, у которых абсолютная магнитная проницаемость значительно больше единицы (μ >> 1).

В некоторых случаях вместо абсолютной магнитной проницаемости удобнее пользоваться значениями относительной магнитной проницаемости.

Относительной магнитной проницаемостью, называется коэффициент, который показывает во сколько раз значение абсолютной магнитной проницаемости больше магнитной постоянной (или проницаемости вакуума). Относительная магнитная проницаемость обозначается μr и может быть выражена следующим выражением

где μ – магнитная постоянная, μ = 4π*10 -7 Гн/м.

Что такое напряженность магнитного поля?

Довольно часто при расчётах магнитных цепей используют понятие напряженности магнитного поля, которое характеризует магнитное поле, но в отличие от магнитной индукции не зависит от свойств окружающей среды. Напряженность магнитного поля является векторной величиной и обозначается Н.

В большинстве случаев напряженность магнитного поля совпадает с направлением вектора магнитной индукции В, кроме того между ними существует прямая зависимость

где μ –магнитная постоянная, μ = 4π*10 -7 Гн/м;

В – магнитная индукция.

Единицей напряженности магнитного поля является эрстед (Э).

Более подробно с вышеописанными параметрами магнитного поля я ознакомлю вас в следующих статьях.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник

Школьная Энциклопедия

Nav view search

Навигация

Искать

Вы здесь: Home Материя и движение Электричество и магнетизм Электромагнетизм

Электромагнетизм

Электромагнетизм

Явления, возникающие в результате взаимодействия электричества и магнетизма, называют электромагнетизмом.

Открытие электромагнетизма

Электромагнетизм

Ханс Кристиан Эрстед

Первооткрывателем электромагнетизма считается датский физик Ханс Кристиан Э́рстед, обнаруживший воздействие электрического тока на магнит.

Читайте также:  Исследования гальвани по электрическому току

До начала XIX века никто не предполагал, что электричество и магнетизм что-то связывает. И даже разделы физики, в которых они рассматривались, были разными. Доказательство существования такой связи было получено Эрстедом в 1820 г. во время проведения опыта на лекции в университете. На экспериментальном столе рядом с проводником тока находился магнитный компас. В момент замыкания электрической цепи магнитная стрелка компаса отклонилась от своего первоначального положения. Повторив опыт, Эрстед получил такой же результат.

Электромагнетизм

В последующих опытах учёный натягивал металлическую проволоку между двумя стойками. Магнитная стрелка располагалась под ней. До того как по проволоке пропускался ток, стрелка была ориентирована с севера на юг. После замыкания электрической цепи она устанавливалась перпендикулярно проволоке. Эксперименты проводились в разных условиях. Магнитная стрелка помещалась под колпак, из которого выкачивался воздух. Но независимо от среды, она упорно отклонялась от своего первоначального положения, как только по проводнику шёл ток. Это означало, что на магнитную стрелку, расположенную вблизи проводника с током, действовали силы, стремящиеся повернуть её. Эрстед нашёл объяснение этому. Он предположил, что электрический ток, протекающий по проводнику, создаёт магнитное поле. Так экспериментально была открыта связь между электрическими и магнитными явлениями.

Магнитное поле прямого проводника с током

Электромагнетизм

Силовые линии проводника с током

Как и магнитное поле, образованное постоянным магнитом, магнитное поле проводника с током характеризуется силовыми линиями.

Если прямой проводник, по которому идёт ток, пропустить через отверстие в листе картона, на котором рассыпаны мелкие железные или стальные опилки, то они образуют концентрические окружности, центр которых располагается на оси проводника. Эти окружности представляют собой силовые линии магнитного поля проводника с током.

Но если придать проводнику другую форму, картина будет иная.

Магнитное поле катушки с током

Электромагнетизм

Магнитное поле соленоида

Изогнув спиралью проводник с током, мы получим соленоид (от греческого «трубка»). Силовые линии создаваемого им магнитного поля представляют собой замкнутые линии. Наиболее часто они расположены внутри витков.

Если намотать изолированную проволоку на каркас таким образом, чтобы витки располагались вплотную друг к другу, то получится катушка. При пропускании через неё тока создаётся магнитное поле, и катушка начинает притягивать металлические предметы. Это притяжение значительно усиливается, если вставить в катушку стальной или железный стержень, который называют сердечником. Ток создаёт магнитное поле, которое намагничивает сердечник. Затем магнитное поле сердечника складывается с магнитным полем самого соленоида, тем самым увеличивая его. Катушку с сердечником называют электромагнитом.

Электромагнетизм

Магнитное поле электромагнита можно регулировать, увеличивая или уменьшая силу тока или количество витков в обмотке. Каждый виток создаёт своё магнитное поле. И чем больше витков в электромагните, тем сильнее его поле. Соответственно, если уменьшить количество витков, то магнитное поле ослабляется.

Первый электромагнит создал английский инженер Уильям Стёрджен в 1825 г. Его устройство представляло собой стержень изогнутой формы, сделанный из мягкого железа и покрытый лаком для изоляции от провода. На стержень был намотан толстый провод из меди.

Электромагнетизм

Рисунок электромагнита Стёрджена

В современных электромагнитах сердечники изготавливают из ферромагнетиков – веществ, которые обладают высокой намагниченностью при температуре ниже точки Кюри даже в отсутствии внешнего магнитного поля. Для обмотки применяют изолированный алюминиевый или медный провод.

Применение электромагнитов

Электромагнетизм

Обычно электромагнит – это катушка из проволоки, намотанной на ферромагнитный сердечник. Сердечник может иметь самую разную форму. Он является частью магнитопровода, через который проходит магнитный поток, возбуждаемый электрическим током. Другая, подвижная, часть магнитопровода – якорь, который передаёт усилие.

Применяются электромагниты в различных электротехнических устройствах, телефонах, автомобилях, телевизорах, электрических звонках и др. С помощью электромагнита можно притягивать, удерживать и перемещать тяжёлые металлические детали и предметы, сортировать магнитные и немагнитные вещества На металлургических заводах используют электромагнитные подъёмные краны, станки с магнитными столами, на которых изделие закрепляют электромагнитами. В медицине с их помощью извлекают попавшие в глаз металлические опилки.

Параллельные проводники в магнитном поле

Электромагнетизм

Проводники с током в магнитном поле

Продолжив исследования Эрстеда, Ампер подтвердил магнитное действие электрического тока, обнаружив, что проводники с током взаимодействуют друг с другом. Причём, если токи в параллельных проводниках текут в одном направлении, то проводники притягиваются. Если же направление токов в таких проводниках противоположно, то они отталкиваются. Более того, Ампер вывел закон, названный впоследствии его именем (закон Ампера), и позволяющий определять величину силы, с которой взаимодействуют проводники с током.

Нужно заметить, что Ампер исследовал проводник в магнитном поле, созданном не постоянным магнитом, а другим проводником с током.

Два параллельных проводника с током взаимодействуют с силой, пропорциональной величинам токов в элементарных отрезках и обратно пропорциональной расстоянию между ними.

Объединив электричество и магнетизм, Ампер назвал новую область физики электродинамикой.

Действие магнитного поля на проводник с током

Электромагнетизм

Проводник с током в магнитном поле

Опыт Эрстеда демонстрирует действие электрического тока на магнит. Но может ли магнит оказывать действие на проводник с током? Оказывается, да.

Подвесим проводник между полюсами постоянного магнита. Как только по нему пойдёт ток, проводник будет втягиваться внутрь магнита или же выталкиваться за его пределы в зависимости от направления тока и расположения полюсов магнита. Сила, действующая на проводник, называется силой Ампера. Её величина зависит от величины тока I , длины участка проводника в магнитном поле l , величины магнитной индукции поля B и величины угла α между направлением тока и вектором магнитной индукции:

F = l ·B·sinα

Как видим, наибольшее значение силы будет в том случае, если проводник расположен таким образом, что направление тока в нём перпендикулярно направлению вектора магнитной индукции. В этом случае sinα = 1 .

Если же направления тока и вектора магнитной индукции совпадают, то сила Ампера равна нулю, и магнитное поле на проводник с током в этом случае не действует.

Направление силы Ампера определяется с помощью правила левой руки: Если проводник с током расположить таким образом, чтобы силовые линии магнитного поля входили в ладонь левой руки, а направление тока совпадало с направлением 4 пальцев, то отогнутый большой палец покажет направление силы Ампера.

Действие магнитного поля на рамку с током

Электромагнетизм

Рамка с током в магнитном поле

Электрический ток всегда замкнут, поэтому прямолинейный проводник можно рассматривать как часть электрической цепи.

Как же ведёт себя в магнитном поле замкнутый контур?

Если вместо гибкого проводника между полюсами магнита поместить проволоку, изогнутую в виде жёсткой рамки, то в начальный момент такая рамка установится параллельно линии, соединяющей полюса магнита. В этот момент вектор магнитной индукции параллелен двум сторонам рамки и расположен в её плоскости. После включения тока рамка начнёт поворачиваться и установится таким образом, что линии магнитного поля будут пронизывать её плоскость.

Вращение рамки объясняется действием на неё сил Ампера.

Каждую из сторон рамки по отдельности можно рассматривать как проводник с током. Согласно закону Ампера на них действует сила Ампера. Её направление определяется с помощью правила левой руки.

Очевидно, что силы, действующие на противоположные стороны прямоугольной рамки, будут равны по величине и противоположны по направлению из-за разного направления токов в них.

На стороны рамки, расположенные параллельно линиям магнитной индукции, силы не действуют, так как угол α между вектором магнитной индукции и направлением тока равен 0, следовательно, sinα также равен нулю.

Угол между вектором индукции и направлением тока в вертикальных сторонах рамки равен 90 о . Следовательно, sinα = 1, а модуль силы, действующей на каждую из них, равен

F = I · B·a , где а – длина стороны рамки.

Силы создают вращающий момент, скалярная величина которого равна

M = I · S · B

Под действием этого момента рамка начинает поворачиваться. В любой промежуточный момент M = I · S · B · sinβ , где β – угол между вектором магнитной индукции и нормалью (перпендикуляром) к плоскости рамки. При повороте этот угол меняется, уменьшается величина силы, и постепенно рамка занимает положение перпендикулярно вектору магнитной индукции. В этом случае вращающий момент становится равным нулю. ( М = 0 ) .

Читайте также:  Диоды выпрямительные ток 50а

На принципе поворота рамки с током в магнитном поле основана работа простейшего электродвигателя. Если отключить ток в тот момент, когда рамка ещё не достигла устойчивого положения, она повернётся по инерции и остановится. При включении тока она снова начнёт вращаться. Включая и выключая ток в нужный момент, можно добиться непрерывного вращения рамки. На этом принципе основана работа простейшего электродвигателя постоянного тока.

Чтобы рамка вращалась непрерывно, необходимо, чтобы ток поступал каждые пол-оборота. В двигателе эту функцию выполняет устройство, которое называют коллектором. Он состоит из двух металлических полуколец. К ним припаяны концы рамки. Когда подключается ток, рамка совершает пол-оборота. Вместе с ней поворачиваются и полукольца коллектора. В результате контакты рамки переключаются, ток в ней меняет своё направление, и рамка продолжает вращаться безостановочно.

Двигатели постоянного тока используются в тяговых электроприводах электровозов, трамваев, тепловозов, теплоходов. Электрический стартер автомобиля – это тоже двигатель постоянного тока. Микродвигатели приводят в действие детские игрушки, электроинструменты, компьютерные устройства, швейные машинки, пылесосы, бормашины и др.

Источник



Глава пятая. Электромагнетизм

§ 35. Магнитное поле проводника с током

Если к прямолинейному проводнику с током поднести магнитную стрелку, то она будет стремиться стать перпендикулярно плоскости, проходящей через ось проводника и центр вращения стрелки (рис. 67). Это указывает на то, что на стрелку действуют особые силы, которые называются магнитными. Иными словами, если по проводнику проходит электрический ток, то вокруг проводника возникает магнитное поле. Магнитное поле можно рассматривать как особое состояние пространства, окружающего проводники с током.

Рис. 67. Влияние электрического тока на магнитную стрелку
Рис. 67. Влияние электрического тока на магнитную стрелку

Если продеть через картой толстый проводник и пропустить по нему электрический ток, то стальные опилки, насыпанные на картон, расположатся вокруг проводника по концентрическим окружностям, представляющим собой в данном случае так называемые магнитные линии (рис. 68). Мы можем передвигать картон вверх или вниз по проводнику, но расположение стальных опилок не изменится. Следовательно, магнитное поле возникает вокруг проводника по всей его длине.

Рис. 68. Магнитное поле вокруг проводника с током
Рис. 68. Магнитное поле вокруг проводника с током

Если на картон поставить маленькие магнитные стрелки, то, меняя направление тока в проводнике, можно увидеть, что магнитные стрелки будут поворачиваться (рис. 69). Это показывает, что направление магнитных линий меняется с изменением направления тока в проводнике.

Рис. 69. Направление магнитных линий вокруг проводника с током
Рис. 69. Направление магнитных линий вокруг проводника с током

Магнитное поле вокруг проводника с током обладает следующими особенностями: магнитные линии прямолинейного проводника имеют форму концентрических окружностей; чем ближе к проводнику, тем плотнее располагаются магнитные линии, тем больше магнитная индукция; магнитная индукция (интенсивность поля) зависит от величины тока в проводнике; направление магнитных линий зависит от направления тока в проводнике.

Чтобы показать направление тока в проводнике, изображенном в разрезе, принято условное обозначение, которым мы в дальнейшем будем пользоваться. Если мысленно поместить в проводнике стрелу по направлению тока (рис. 70), то в проводнике, ток в котором направлен от нас, увидим хвост оперения стрелы (крестик); если же ток направлен к нам, увидим острие стрелы (точку).

Рис. 70. Условное обозначение направления тока в проводниках
Рис. 70. Условное обозначение направления тока в проводниках

Рис. 70. Условное обозначение направления тока в проводниках
Рис. 70. Условное обозначение направления тока в проводниках

Рис. 70. Условное обозначение направления тока в проводниках
Рис. 70. Условное обозначение направления тока в проводниках

Направление магнитных линий вокруг проводника с током можно определить по «правилу буравчика». Если буравчик (штопор) с правой резьбой будет двигаться поступательно по направлению тока, то направление вращения ручки будет совпадать с направлением магнитных линий вокруг проводника (рис. 71).

Рис. 71. Определение направления магнитных линий вокруг проводника с током по
Рис. 71. Определение направления магнитных линий вокруг проводника с током по ‘правилу буравчика’

Магнитная стрелка, внесенная в поле проводника с током, располагается вдоль магнитных линий. Поэтому для определения ее расположения можно также воспользоваться «правилом буравчика» (рис. 72).

Рис. 72. Определение направления отклонения магнитной стрелки, поднесенной к проводнику с током, по
Рис. 72. Определение направления отклонения магнитной стрелки, поднесенной к проводнику с током, по ‘правилу буравчика’

Магнитное поле есть одно из важнейших проявлений электрического тока и не может быть получено независимо и отдельно от тока.

В постоянных магнитах магнитное поле также вызывается движением электронов, входящих в состав атомов и молекул магнита.

Интенсивность магнитного поля в каждой его точке определяется величиной магнитной индукции, которую принято обозначать буквой В. Магнитная индукция является векторной величиной, т. е. она характеризуется не только определенным значением, но и определенным направлением в каждой точке магнитного поля. Направление вектора магнитной индукции совпадает с касательной к магнитной линии в данной точке поля (рис. 73).

Рис. 73. Магнитная индукция в точке А
Рис. 73. Магнитная индукция в точке А

В результате обобщения опытных данных французские ученые Био и Савар установили, что магнитная индукция В (интенсивность магнитного поля) на расстоянии r от бесконечно длинного прямолинейного проводника с током определяется выражением

где r — радиус окружности, проведенной через рассматриваемую точку поля; центр окружности находится на оси проводника (2πr — длина окружности);

I — величина тока, протекающего по проводнику.

Величина μа, характеризующая магнитные свойства среды, называется абсолютной магнитной проницаемостью среды.

Для пустоты абсолютная магнитная проницаемость имеет минимальное значение и ее принято обозначать μ и называть абсолютной магнитной проницаемостью пустоты.

Отношение μа /μ, показывающее, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость данной среды больше абсолютной магнитной проницаемости пустоты, называется относительной магнитной проницаемостью и обозначается буквой μ.

В Международной системе единиц (СИ) приняты единицы измерения магнитной индукции В — тесла или вебер на квадратный метр (тл, вб/м 2 ).

В инженерной практике магнитную индукцию принято измерять в гауссах (гс): 1 тл = 10 4 гс.

Если во всех точках магнитного поля вектора магнитной индукции равны по величине и параллельны друг другу, то такое поле называется однородным.

Произведение магнитной индукции В на величину площадки S, перпендикулярной направлению поля (вектору магнитной индукции), называется потоком вектора магнитной индукции, или просто магнитным потоком, и обозначается буквой Φ (рис. 74):

Рис. 74. Поток вектора магнитной индукции
Рис. 74. Поток вектора магнитной индукции

В Международной системе в качестве единицы измерения магнитного потока принят вебер (вб).

В инженерных расчетах магнитный поток измеряют в максвеллах (мкс):

При расчетах магнитных полей пользуются также величиной, называемой напряженностью магнитного поля (обозначается Н). Магнитная индукция В и напряженность магнитного поля Н связаны соотношением

Единица измерения напряженности магнитного поля Н — ампер на метр (а/м).

Напряженность магнитного поля в однородной среде, так же как и магнитная индукция, зависит от величины тока, числа и формы проводников, по которым проходит ток. Но в отличие от магнитной индукции напряженность магнитного поля не учитывает влияния магнитных свойств среды.

Источник

Магнетизм (электромагнетизм): что это такое в теории элементарной физики

Главная страница » Магнетизм (электромагнетизм): что это такое в теории элементарной физики

Что такое магнетизм (электромагнетизм) в теории элементарной физики

Силу, образующуюся в результате течения электрического тока через проводник (например, через участок провода или кабеля), характеризуют как электромагнетизм. При таких условиях, когда существует магнетизм, проводник находится в области магнитного поля. Направление магнитного поля относительно «северного» / «южного» полюсов определяется направлением тока, текущего через проводник.

Роль электромагнетизма в электротехнике

Магнетизм играет важную роль в электротехнике (электронике). Многие электронные и электрические компоненты:

  • реле,
  • соленоиды,
  • катушки индуктивности,
  • дроссели,
  • катушки громкоговорителей,
  • обмотки электродвигателей,
  • генераторы,
  • трансформаторы,
  • счетчики электроэнергии и прочие,

попросту не способны работать в условиях отсутствия эффекта магнетизма. По сути, любая катушка, выполненная намоткой провода, даёт эффект электромагнетизма в момент течения электрического тока. Для лучшего понимания магнетизма и электромагнетизма в частности, логично рассмотреть физику работы магнитов и магнетизма.

Какой видится природа магнетизма?

Магнетизм нередко присутствуют в естественном состоянии, например, в виде продуктов добываемой минеральной руды. Причём двумя основными типами элементов природного магнетизма выступают:

  1. Оксид железа (FE3O4).
  2. Магнетитовый железняк (FeO·Fe2O3).

Если указанную пару естественных магнитов подвесить на нить, оба займут положение, соответствующее магнитному полю Земли, которое всегда указывает на север.

Магнитное поле Земли

Полюса Земли лежат в основе эффекта электромагнетизма — явления, с которым приходится сталкиваться не только инженерам-физикам в исследованиях, но также обычным людям в хозяйственной практике

Достаточно наглядно демонстрирует эффект магнетизма стрелка туристического компаса. Относительно практических применений магнетизм природного происхождения редко принимается во внимание.

Читайте также:  Явление электромагнитной индукции наблюдается при наличии тока в левой катушке при отсутствии

Обусловлено это низким уровнем эффекта магнетизма, характерным для таких объектов, плюс следует брать в расчёт создание искусственных магнитов. Люди научились делать искусственные магниты разных форм, размеров, силы.

Эффект магнетизма поддерживается объектами двух форм, представляющих:

  1. Постоянные магниты.
  2. Временные магниты.

Причём используемый тип магнита зависит от конкретного применения. Применяется масса различных типов материалов под изготовление магнитов:

  • железо,
  • никель,
  • никелевые сплавы,
  • хром,
  • кобальт,

Что интересно, будучи в естественном состоянии материала, некоторые элементы списка, например, никель и кобальт, демонстрируют крайне низкие величины магнетизма.

Однако если эти элементы «легируются» с другими материалами — пероксидом железа или алюминия, формируются очень сильные магниты, получившие необычные названия:

  • «Alnico»
  • «Alcomax»,
  • «Alni»,
  • «Hycomax».

Материал в немагнитном состоянии имеет молекулярную структуру в виде разрозненных цепочек (отдельных микро-магнитов), свободно расположенных в случайном порядке.

Общий эффект такого расположения приводит к нулевому или очень слабому эффекту магнетизма. Объясняется подобное явление случайным расположением отдельного молекулярного магнита, имеющего тенденцию нейтрализовать соседние молекулы.

Выстраивание магнитного поля в структуре материала

Формирование поля в структуре материала: 1 – хаотичным случайным образом расположенные магнитные домены не дают эффекта магнетизма; 2 – упорядоченные ровно выстроенные домены дают выраженный эффект магнетизма

Когда материал намагничен, случайное расположение молекул изменяется. В итоге микроскопические случайные молекулярные магниты «выстраиваются» последовательным расположением. Этот эффект молекулярного выравнивания ферромагнитных материалов известен как теория Вебера.

Магнетизм и выравнивание молекулы куска железа

Теория Вебера основана на магнитных свойствах атомов благодаря действию вращения атомов электронов. Группы атомов объединяются, а магнитные поля вращаются в одном направлении. Материалы составляют микроскопические магниты на молекулярном уровне.

Структура большинства намагниченных материалов состоит из микроскопических элементов, выстроенных в одном направлении для создания только северного полюса и в другом направлении для создания южного полюса.

Материал, в структуре которого молекулярные магниты сосредоточены по всем направлениям, имеет «нейтральные» молекулярные частицы, нейтрализующие любой эффект магнетизма. Эти области молекулярных магнитов именуются «доменами».

Любому материалу характерно создание орбитальных и вращающихся электронов магнитного поля, полностью зависящего от степени выравнивания доменов в материале. Эта степень выравнивания, как правило, определяется величиной намагниченности (М).

Магнетизм и магнитный поток в катушке

Схематичная демонстрация формирования силовых линий: 1 – индуцируемый ток в рабочем материале; 2 – течение тока внутри проводников катушки; 3 – магнитное поле

Внутренняя структура немагнитного материала показывает М = 0. Однако некоторые из доменов могут оставаться выровненными по границам небольших областей в материале. Эффект приложения намагничивающей силы к материалу заключается в выравнивании некоторых доменов для получения ненулевого значения намагничивания.

Как только сила намагничивания нейтрализована, магнетизм внутри материала остаётся на некотором уровне, либо быстро затухнет в зависимости от используемого материала. Эта способность материала сохранять свойство магнетизма называется «Остаточная намагниченность».

Материалы, обладающие свойствами сохранения магнетизма, демонстрируют достаточно высокую способность к остаточной намагниченности, а потому часто используются для изготовления постоянных магнитов.

В то же время материалы, обладающие свойством быстрой потери магнетизма, демонстрируют низкую способность остаточной намагниченности. Из таких материалов, изготавливают, к примеру, сердечники для реле и соленоидов.

Электрический воздушный компрессор, 220В/110В 30 мпаЭлектрический воздушный компрессор высокого давленияЭлектрический воздушный насос высокого давления

Что такое магнитный поток?

Любым магнитам, независимо от формы, присуще характерное свойство — наличие пары полюсов. Внутренний магнетизм и молекулярные цепи полюсов образуют своеобразную цепочку невидимых линий потока организованной и сбалансированной структуры.

Эти линии потока образуют магнитное поле. Форма такого поля в некоторых частях более интенсивная, чем в других. Причём область магнита (традиционно концевая), обладающая наибольшим уровнем магнетизма, являются активной областью полюса.

Магнетизм и магнитные полюса

Примерно такой вид формирования полей можно наблюдать (с помощью специальной техники) в области двух сближаемых противоположными полюсами магнитов

Линии потока — векторные поля, не видны невооруженным глазом, но доступны к определению, например, с помощью компаса. Полюса всегда присутствуют парами. Всегда существует область «северного» полюса и область «южного» полюса.

Поля отображаются визуально силовыми линиями, определяющими полюс на каждом конце материала, где линии потока более плотные и концентрированные. Линии, образующие поле, показывающие направление и степень интенсивности, называются силовыми линиями (магнитным потоком). Традиционно такой поток обозначается греческим символом «Фи» (φ).

Магнетизм — эффект определения силовых линий

Как показано выше, магнитное поле является наиболее сильным вблизи полюсов магнита, где линии потока расположены близко друг к другу. Общее направление потока – традиционно от северного полюса (N) к южному (S) полюсу. Кроме того, силовые линии образуют замкнутые петли, выходящие на северный и на южный полюс.

Однако магнитный поток не течёт с «севера» на «юг» полюсов или каким-либо другим образом, поскольку является статической областью, окружающей магнит, где отмечается действие магнитной силы.

Другими словами, поток не течёт и не движется в принципе, а попросту существует, будучи не подверженным влиянию гравитации. Следующие важные факты магнетизма сопровождают построение силовых линий:

  • силовые линии не пересекаются и не прерываются,
  • силовые линии всегда образуют отдельные замкнутые петли,
  • силовым линиям магнетизма характерно направление с «севера» на «юг»,
  • близкое расположение силовых линий указывает на сильный магнетизм,
  • удалённое расположение силовых линий указывает на слабый магнетизм.

Силы магнетизма притягивают и отталкивают подобно электрическим силам, поэтому сближение двух силовых линий (взаимодействие между двумя полями) вызывает одно из двух явлений магнетизма:

Магнетизм - взаимодействие между магнитными полями

  1. Отталкивание полюсов.
  2. Притягивание полюсов.

Эффект взаимодействия между полями с учётом разного расположения относительно полюсов: 1 – разноимённые полюса вызывают эффект притягивания; 2 – одноимённые полюса вызывают эффект отталкивания; 3 – направление силовых линий

Этот эффект легко запоминается благодаря известному выражению «противоположности притягиваются». Это взаимодействие магнитных полей, показывающие силовые линии окружающие магнит, легко продемонстрировать, используя железные наполнители. Влияние на магнитные поля различных комбинаций полюсов, когда одинаковые полюсы отталкиваются и в отличие от полюсов притягиваются, показано на картинке выше.

Магнитное поле одноименных и разноименных полюсов

Анализ линий магнитного поля с помощью компаса позволяет видеть, что созданием силовых линий придаётся определённый полюс на каждом конце магнита. Эффект магнетизма может быть нарушен нагреванием или ударом магнитного материала, но магнетизм невозможно уничтожить или изолировать, простым разделением магнита на две части.

Поэтому, если используя обычный стержневой магнит, разбить тело этого объекта на две части, двух половинок одного магнита получить не удастся. Вместо этого каждая часть слома образует полноценный магнит, наделённый «северным» и «южным» полюсами.

Продолжением разделения пополам других полученных частей приведёт к тому же результату. Независимо от того, насколько маленькими становятся кусочки магнита, у каждого кусочка будет формироваться «северный» и «южный» полюс, соответственно.

Принцип определения величины магнетизма

Как отмечалось ранее, силовые линии (магнитный поток) магнитного материала обозначается греческим символом «Фи» (φ). Под единицей измерения потока используется Вебер (латинское обозначение Wb, русское – Вб). Число силовых линий в пределах данной единичной области называется «плотностью потока».

Поскольку магнитный поток измеряется в Веберах, а площадь в метрах квадратных, следовательно, плотность потока измеряется отношением Вб / S и обозначается латинским символом — B.

Однако когда речь идет о магнетизме, плотность потока задается в единицах Тесла, поэтому один Вб / S равен одному Тесла (1Вб / 1м 2 = 1T). Плотность потока пропорциональна силовым линиям и обратно пропорциональна площади. Отсюда плотность магнитного потока определяется как:

B = φ / S

PAGANI - мужские механические наручные часыЖенские механические часы JSDUNPAGANI дизайнерские брендовые мужские часы

Магнетизм + пример определения силы магнитного поля

Количественный показатель магнитного потока, присутствующего в круглом магнитном стержне, равен 0,06 Вб. Какая плотность магнитного потока, если диаметр стержня магнита равен 24 см? Решение:

Сначала определяется площадь поперечного сечения стержня (в м 2 ):

S = π * R 2 (3.14 * 0.12 2 ) = 0.045

Далее рассчитывается плотность магнитного потока (в Тесла):

B = φ / S = 0. 06 / 0.045 = 1.33

Если применительно к магнетизму электрических цепей 1Т — это плотность магнитного поля, проводник, несущий ток 1А под прямым углом к магнитному полю, испытывает нагрузку магнитной силы в один ньютон на метр.

Сканер ОБД 2 (OBD 2): лучшие конструкции приборов диагностики автомобиля

Сканер ОБД 2 (OBD 2): лучшие конструкции приборов диагностики автомобиля

Промышленный контроллер pCOxs на управление HVAC

Промышленный контроллер pCOxs на управление HVAC

Микросхема CH341 – исполнение и схемы подключения

Микросхема CH341 – исполнение и схемы подключения

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Zetsila — публикации материалов, интересных и полезных для социума. Новости технологий, исследований, экспериментов мирового масштаба. Социальная мультитематическая информация — СМИ .

Источник