Linie magnetyczne magnesu trwałego. magnesy trwałe. Pole magnetyczne magnesów trwałych. Pole magnetyczne Ziemi. Pole magnetyczne Ziemi i burze magnetyczne

Pole magnetyczne to materia, która powstaje wokół źródeł prąd elektryczny a także okolice magnesy trwałe. W kosmosie pole magnetyczne jest wyświetlane jako kombinacja sił, które mogą wpływać na namagnesowane ciała. To działanie tłumaczy się obecnością wyładowań napędowych na poziomie molekularnym.

Pole magnetyczne powstaje tylko wokół poruszających się ładunków elektrycznych. Dlatego magnetyczny pole elektryczne są integralne i razem tworzą pole elektromagnetyczne. Składniki pola magnetycznego są ze sobą połączone i oddziałują na siebie, zmieniając swoje właściwości.

Właściwości pola magnetycznego:
1. Pole magnetyczne powstaje pod wpływem napędzających ładunków prądu elektrycznego.
2. W każdym z jego punktów pole magnetyczne charakteryzuje się wektorem wielkości fizycznej o nazwie Indukcja magnetyczna, która jest siłą charakterystyczną dla pola magnetycznego.
3. Pole magnetyczne może wpływać tylko na magnesy, przewodniki przewodzące i poruszające się ładunki.
4. Pole magnetyczne może być typu stałego i zmiennego
5. Mierzone jest tylko pole magnetyczne urządzenia specjalne i nie mogą być postrzegane przez ludzkie zmysły.
6. Pole magnetyczne jest elektrodynamiczne, ponieważ jest generowane tylko podczas ruchu naładowanych cząstek i oddziałuje tylko na ładunki będące w ruchu.
7. Naładowane cząstki poruszają się po prostopadłej trajektorii.

Wielkość pola magnetycznego zależy od szybkości zmian pola magnetycznego. W związku z tym istnieją dwa rodzaje pola magnetycznego: dynamiczne pole magnetyczne oraz grawitacyjne pole magnetyczne. Grawitacyjne pole magnetyczne występuje tylko w pobliżu cząstki elementarne i powstaje w zależności od cech strukturalnych tych cząstek.

Moment magnetyczny występuje, gdy pole magnetyczne działa na przewodzącą ramkę. Innymi słowy, moment magnetyczny to wektor, który znajduje się na linii biegnącej prostopadle do ramy.

Pole magnetyczne można przedstawić graficznie za pomocą magnetycznego linie siły. Linie te są rysowane w takim kierunku, aby kierunek sił pola pokrywał się z kierunkiem samej linii pola. Linie pola magnetycznego są jednocześnie ciągłe i zamknięte.

Kierunek pola magnetycznego określa się za pomocą igły magnetycznej. Linie siły określają również biegunowość magnesu, koniec z wyjściem linii siły to biegun północny, a koniec z wejściem tych linii to biegun południowy.

Bardzo wygodna jest wizualna ocena pola magnetycznego za pomocą zwykłych opiłków żelaza i kartki papieru.
Jeśli umieścimy kartkę papieru na magnesie trwałym i posypiemy go trocinami, cząsteczki żelaza ułożą się zgodnie z liniami pola magnetycznego.

Kierunek linii siły dla przewodnika jest dogodnie określany przez słynne zasada świderka lub reguła prawa ręka . Jeśli owiniemy ramiona wokół dyrygenta, aby kciuk spojrzał w kierunku prądu (od minusa do plusa), to 4 pozostałe palce wskażą nam kierunek linii pola magnetycznego.

A kierunek siły Lorentza - siły, z jaką pole magnetyczne działa na naładowaną cząstkę lub przewodnik z prądem, zgodnie z zasada lewej ręki.
Jeśli umieścimy lewa ręka w polu magnetycznym tak, aby 4 palce patrzyły w kierunku prądu w przewodniku, a linie siły weszły w dłoń, wtedy kciuk wskaże kierunek siły Lorentza, siły działającej na przewodnik umieszczony w magnesie pole.

O to chodzi. Pamiętaj, aby zadać pytania w komentarzach.

Magnes to ciało, które tworzy wokół siebie pole magnetyczne.

Siła wytworzona przez magnes działa na niektóre metale: żelazo, nikiel i kobalt. Przedmioty wykonane z tych metali przyciąga magnes.
(zapałka i korek nie są przyciągane, gwóźdź jest tylko do prawej połowy magnesu, spinacz jest w dowolnym miejscu)

Istnieją dwa obszary, w których siła przyciągania jest maksymalna. Nazywają się kijami. Jeśli magnes zostanie zawieszony na cienkiej nitce, rozwinie się w określony sposób. Jeden koniec zawsze będzie wskazywał północ, a drugi koniec na południe. Dlatego jeden biegun nazywa się północą, a drugi południem.

Możesz wizualnie rozważyć wpływ pola magnetycznego utworzonego wokół magnesu. Umieśćmy magnes na powierzchni, na którą wcześniej wylano opiłki metalu. Pod działaniem pola magnetycznego trociny ułożą się w postaci eliptycznych krzywych. Dzięki postaci tych krzywych można sobie wyobrazić, jak w przestrzeni przebiegają linie pola magnetycznego. Ich kierunek jest zwykle wyznaczany z północy na południe.

Jeśli weźmiemy dwa identyczne magnesy i spróbujemy zbliżyć je biegunami, okaże się, że różne bieguny się przyciągają, a te same odpychają.

Nasza Ziemia ma również pole magnetyczne zwane ziemskim polem magnetycznym. Strzałka północy zawsze wskazuje północ. Dlatego geograficznym biegunem północnym Ziemi jest południe biegun magnetyczny ponieważ przyciągają się przeciwne bieguny magnetyczne. Podobnie południowy biegun geograficzny jest północnym biegunem magnetycznym.

Północny koniec igły kompasu zawsze wskazuje na północ, ponieważ przyciąga go południowy biegun magnetyczny Ziemi.

Jeśli umieścimy kompas pod drutem rozciągniętym w kierunku północ-południe i przez który przepływa prąd, zobaczymy, że igła magnetyczna odchyla się. To dowodzi, że prąd elektryczny wytwarza wokół siebie pole magnetyczne.

Jeśli umieścimy kilka kompasów pod przewodem, przez który przepływa prąd elektryczny, zobaczymy, że wszystkie strzałki odchylają się o ten sam kąt. Oznacza to, że pole magnetyczne wytworzone przez przewód jest takie samo dla różne obszary. Dlatego możemy wywnioskować, że linie pola magnetycznego dla każdego przewodnika mają postać koncentrycznych okręgów.

Kierunek linii pola magnetycznego można określić za pomocą reguły prawej ręki. Aby to zrobić, owiń w myślach prawą rękę wokół przewodnika z prądem elektrycznym, tak aby wyciągnięty kciuk prawej ręki wskazywał kierunek prądu elektrycznego, a następnie zgięte palce wskazywały kierunek linii pola magnetycznego.

Jeśli skręcimy metalowy drut w spiralę i poprowadzimy przez niego prąd elektryczny, wówczas pola magnetyczne każdego pojedynczego zwoju sumują się w wspólne pole spirale.

Działanie pola magnetycznego spirali jest podobne do działania pola magnetycznego magnesu trwałego. Ta zasada stanowiła podstawę do stworzenia elektromagnesu. Podobnie jak magnes trwały ma biegun południowy i północny. Na biegunie północnym wychodzą linie pola magnetycznego.

Siła magnesu trwałego nie zmienia się w czasie. Elektromagnes jest inny. Istnieją trzy sposoby na zmianę siły elektromagnesu.

Pierwszy sposób. Umieść metalowy rdzeń wewnątrz spirali. W tym przypadku sumuje się działanie pola magnetycznego rdzenia i pola magnetycznego spirali.

Drugi sposób. Zwiększ liczbę zwojów spirali. Im więcej zwojów ma spirala, tym większy wpływ siły pola magnetycznego.

Trzeci sposób. Zwiększmy siłę prądu elektrycznego płynącego w spirali. Wzrosną pola magnetyczne poszczególnych cewek, a więc całkowite pole magnetyczne spirali również wzrośnie.

Głośnik

Urządzenie głośnikowe zawiera elektromagnes i magnes trwały. Elektromagnes, który jest połączony z membraną głośnika, jest umieszczony na sztywno zamocowanym magnesie trwałym. W takim przypadku membrana pozostaje ruchoma. Przepuśćmy przez elektromagnes zmienny prąd elektryczny, którego forma zależy od wibracje dźwiękowe. Wraz ze zmianą prądu elektrycznego zmienia się wpływ pola magnetycznego w elektromagnesie.

W rezultacie elektromagnes będzie przyciągany lub odpychany przez magnes trwały o różnej sile. Co więcej, membrana głośnika będzie wykonywać dokładnie takie same drgania jak elektromagnes. Zatem to, co zostało powiedziane do mikrofonu, usłyszymy przez głośnik.

połączenie

Elektryczny dzwonek do drzwi można przypisać do kategorii przekaźników elektrycznych. Przyczyną przerywanego sygnału dźwiękowego są okresowe zwarcia i przerwy w obwodzie elektrycznym.

Po naciśnięciu przycisku dzwonka obwód elektryczny jest zamknięty. Język dzwonka jest przyciągany przez elektromagnes i uderza w dzwonek. W takim przypadku język otwiera obwód elektryczny. Prąd przestaje płynąć, elektromagnes nie działa i język wraca do pozycja startowa. Obwód elektryczny ponownie się zamyka, język ponownie jest przyciągany przez elektromagnes i uderza w dzwonek. Ten proces będzie trwał tak długo, jak długo naciśniemy przycisk połączenia.

silnik elektryczny

Zainstaluj swobodnie obracającą się igłę magnetyczną przed elektromagnesem i zakręć nim. Możemy utrzymać ten ruch, jeśli włączymy elektromagnes w momencie, gdy igła magnetyczna obraca się tym samym biegunem w kierunku elektromagnesu.

Siła przyciągania elektromagnesu jest wystarczająca, aby ruch obrotowy strzały się nie zatrzymały.

(na rysunku magnes odbiera impuls, gdy w pobliżu znajduje się czerwona strzałka i przycisk jest wciśnięty. Jeśli przycisk zostanie naciśnięty, gdy zielona strzałka jest w pobliżu, elektromagnes zatrzymuje się)

Ta zasada jest podstawą silnika elektrycznego. Tyle że to nie igła magnetyczna obraca się w niej, ale elektromagnes, zwany zworą, w statycznie zamocowanym magnesie w kształcie podkowy, zwanym stojanem. Z powodu powtarzających się zwarć i rozwarć obwodu elektromagnes, tj. kotwica, będzie się stale obracać.

Prąd elektryczny wpływa do twornika przez dwa styki, które są dwoma izolowanymi półpierścieniami. Powoduje to ciągłą zmianę polaryzacji elektromagnesu. Po znalezieniu przeciwległych biegunów jeden na drugim, silnik zaczyna zwalniać obroty. Ale w tym momencie elektromagnes zmienia polaryzację i teraz jeden na drugim to te same bieguny. Odpychają się, a silnik dalej się kręci.

Generator

Podłączamy woltomierz do końców spirali i zaczynamy kołysać magnesem trwałym przed jego zwojami. W takim przypadku woltomierz wskaże obecność napięcia. Z tego możemy wywnioskować, że na przewodnik elektryczny wpływa zmieniające się pole magnetyczne.

Z tego wynika prawo indukcji elektrycznej: napięcie będzie istniało na końcach cewki indukcyjnej, dopóki cewka znajduje się w zmiennym polu magnetycznym.

Im więcej zwojów ma cewka indukcyjna, tym większe napięcie jest generowane na jej końcach. Napięcie można zwiększyć, zwiększając pole magnetyczne lub przyspieszając jego zmianę. Metalowy rdzeń umieszczony wewnątrz cewki indukcyjnej zwiększa napięcie indukcyjne w miarę wzrostu pola magnetycznego w wyniku namagnesowania rdzenia.
(magnes zaczyna mocniej falować przed cewką, w wyniku czego wskazówka woltomierza odchyla się znacznie bardziej)

Generator jest przeciwieństwem silnika elektrycznego. Kotwica, czyli elektromagnes obraca się w polu magnetycznym magnesu trwałego. Ze względu na obrót twornika, działające na niego pole magnetyczne stale się zmienia. W rezultacie zmienia się wynikowe napięcie indukcyjne. Podczas pełnego obrotu twornika napięcie będzie dodatnie przez połowę czasu i ujemne przez połowę czasu. Przykładem tego jest generator wiatru, który wytwarza napięcie przemienne.

Transformator

Zgodnie z prawem indukcji napięcie powstaje, gdy zmienia się pole magnetyczne w cewce indukcyjnej. Ale pole magnetyczne cewki zmieni się tylko wtedy, gdy pojawi się w niej napięcie przemienne.

Pole magnetyczne zmienia się od zera do wartości skończonej. Jeśli podłączysz cewkę do źródła napięcia, powstałe przemienne pole magnetyczne wytworzy krótkotrwałe napięcie indukcyjne, które będzie przeciwdziałać napięciu głównemu. Do obserwowania występowania napięcia indukcyjnego nie jest konieczne użycie dwóch cewek. Można to zrobić za pomocą jednej cewki, ale wtedy taki proces nazywa się samoindukcją. Napięcie w cewce osiąga maksimum po pewnym czasie, gdy pole magnetyczne przestaje się zmieniać i staje się stałe.

W ten sam sposób zmienia się pole magnetyczne, jeśli odłączymy cewkę od źródła napięcia. W tym przypadku również występuje zjawisko samoindukcji, które przeciwdziała spadającemu napięciu. Dlatego napięcie spada do zera nie od razu, ale z pewnym opóźnieniem.

Jeśli stale podłączamy i odłączamy źródło napięcia do cewki, to otaczające ją pole magnetyczne będzie się stale zmieniać. Jednocześnie występuje również przemienne napięcie indukcyjne. Teraz zamiast tego podłącz cewkę do źródła napięcia przemiennego. Po pewnym czasie pojawia się przemienne napięcie indukcyjne.

Podłącz pierwszą cewkę do źródła napięcia przemiennego. Dzięki metalowemu rdzeniowi powstałe przemienne pole magnetyczne będzie oddziaływać również na drugą cewkę. Oznacza to, że napięcie przemienne może być przenoszone z jednego obwodu elektrycznego do drugiego, nawet jeśli te obwody nie są ze sobą połączone.

Jeśli weźmiemy dwie identyczne cewki, to w drugiej otrzymamy to samo napięcie, które działa na pierwszą cewkę. Zjawisko to jest wykorzystywane w transformatorach. Zadaniem transformatora jest jedynie wytworzenie w drugiej cewce innego napięcia niż pierwsza. Aby to zrobić, druga cewka musi mieć mniej lub więcej zwojów.

Gdyby pierwsza cewka miała 1000 zwojów, a druga cewka 10, to napięcie w drugim obwodzie byłoby tylko jedną setną napięcia w pierwszym. Ale obecna siła wzrasta prawie sto razy. Dlatego transformatory Wysokie napięcie niezbędne do stworzenia Wielka siła obecny.

Magnesy trwałe były, obok kawałków bursztynu naelektryzowanych przez tarcie, pierwszym materialnym dowodem dla starożytnych ludzi. zjawiska elektromagnetyczne(Błyskawica u zarania dziejów została definitywnie przypisana sferze manifestacji sił niematerialnych). Wyjaśnienie natury ferromagnetyzmu zawsze zajmowało dociekliwe umysły naukowców, jednak nawet obecnie fizyczna natura trwałego namagnesowania niektórych substancji, zarówno naturalnych, jak i sztucznie wytworzonych, nie została jeszcze w pełni ujawniona, pozostawiając znaczne pole aktywności dla współczesnych i przyszłych badaczy.

Tradycyjne materiały na magnesy trwałe

Są aktywnie wykorzystywane w przemyśle od 1940 roku wraz z pojawieniem się stopu alnico (AlNiCo). Wcześniej magnesy trwałe z różne odmiany były używane tylko w kompasach i magneto. Wykonane przez Alnico możliwa wymiana na nich elektromagnesy i ich zastosowanie w urządzeniach takich jak silniki, generatory i głośniki.

Ta ingerencja w nasze codzienne życie nabrała nowego rozpędu wraz z powstaniem magnesów ferrytowych i od tego czasu magnesy trwałe stały się powszechne.

Rewolucja w materiałach magnetycznych rozpoczęła się około 1970 roku, wraz z stworzeniem rodziny materiałów twardych z samaru i kobaltu o niespotykanych dotąd gęstościach energii magnetycznej. Następnie odkryto nową generację magnesów ziem rzadkich na bazie neodymu, żelaza i boru o znacznie większej gęstości energii magnetycznej niż samaru-kobalt (SmCo) i przy spodziewanym niskim koszcie. Te dwie rodziny magnesów ziem rzadkich mają takie wysokie gęstości energii, że mogą nie tylko zastąpić elektromagnesy, ale być wykorzystywane w miejscach dla nich niedostępnych. Przykłady są małe silnik krokowy na magnesach trwałych zegarek na rękę oraz przetworniki dźwięku w słuchawkach typu Walkman.

Poniższy wykres przedstawia stopniową poprawę właściwości magnetycznych materiałów.

magnesy stałe neodymowe

Stanowią one najnowszy i najbardziej znaczący rozwój w tej dziedzinie w ciągu ostatnich dziesięcioleci. Ich odkrycie zostało po raz pierwszy ogłoszone niemal jednocześnie pod koniec 1983 roku przez metalowców z Sumitomo i General Motors. Oparte są na związku międzymetalicznym NdFeB: stopie neodymu, żelaza i boru. Spośród nich neodym jest pierwiastkiem ziem rzadkich wydobywanym z minerału monazytu.

Ogromne zainteresowanie, jakie wzbudziły te magnesy trwałe, wynika z faktu, że po raz pierwszy uzyskano nowy materiał magnetyczny, który jest nie tylko mocniejszy niż poprzednia generacja, ale także bardziej ekonomiczny. Składa się głównie z żelaza, które jest znacznie tańsze niż kobalt, oraz neodymu, który jest jednym z najpowszechniejszych metali ziem rzadkich i występuje na Ziemi w większej ilości niż ołów. Główne minerały ziem rzadkich, monazyt i basanezyt, zawierają od pięciu do dziesięciu razy więcej neodymu niż samaru.

Fizyczny mechanizm trwałego magnesowania

Aby wyjaśnić działanie magnesu trwałego, musimy zajrzeć do jego wnętrza aż do skali atomowej. Każdy atom ma zestaw spinów swoich elektronów, które razem tworzą jego moment magnetyczny. Dla naszych celów każdy atom możemy uznać za mały magnes sztabkowy. Po rozmagnesowaniu magnesu trwałego (albo przez podgrzanie go do wysoka temperatura, lub przez zewnętrzne pole magnetyczne), każdy moment atomowy jest zorientowany losowo (patrz rysunek poniżej) i nie obserwuje się żadnej regularności.

Kiedy jest namagnesowany w silnym polu magnetycznym, wszystkie momenty atomowe są zorientowane w kierunku pola i niejako zazębiają się ze sobą (patrz rysunek poniżej). To sprzężenie umożliwia utrzymanie pola magnesu trwałego po usunięciu pola zewnętrznego, a także zapobieganie rozmagnesowaniu, gdy zmienia się jego kierunek. Miarą kohezyjnej siły momentów atomowych jest wielkość koercyjnej siły magnesu. Więcej o tym później.

W głębszej prezentacji mechanizmu namagnesowania nie operują one pojęciami momentów atomowych, lecz wykorzystują pojęcie miniaturowych (rzędu 0,001 cm) obszarów wewnątrz magnesu, które początkowo mają stałe namagnesowanie, ale są zorientowane losowo w przypadku braku pola zewnętrznego, tak aby ścisły czytelnik, w razie potrzeby, mógł przypisać powyższe fizyczne mechanizmy nie do magnesu jako całości. i do jego oddzielnej domeny.

Indukcja i magnetyzacja

Momenty atomowe sumują się i tworzą moment magnetyczny całego magnesu trwałego, a jego namagnesowanie M wskazuje wielkość tego momentu na jednostkę objętości. Indukcja magnetyczna B pokazuje, że magnes trwały jest wynikiem zewnętrznej siły magnetycznej (natężenia pola) H przyłożonej podczas namagnesowania pierwotnego, a także namagnesowania wewnętrznego M spowodowanego orientacją momentów atomowych (lub domenowych). Jego wartość jest ogólnie wyrażona wzorem:

B = µ0 (H + M),

gdzie µ 0 jest stałą.

W stałym magnesie pierścieniowym i jednorodnym natężenie pola H wewnątrz niego (przy braku pola zewnętrznego) wynosi zero, ponieważ zgodnie z prawem pełny prąd jego całka wzdłuż dowolnego okręgu wewnątrz takiego pierścieniowego rdzenia jest równa:

H∙2πR = iw=0 , gdzie H=0.

Dlatego namagnesowanie w magnesie pierścieniowym to:

W otwartym magnesie, na przykład w tym samym pierścieniu, ale z szczelina powietrzna o szerokości l zaz w rdzeniu o długości l ser, przy braku pola zewnętrznego i tej samej indukcji B wewnątrz rdzenia i w szczelinie, zgodnie z prawem prądu całkowitego otrzymujemy:

H ser l ser + (1/ µ 0)Bl zas = iw=0.

Ponieważ B \u003d µ 0 (H ser + M ser), a następnie zastępując jego ekspresję poprzednią, otrzymujemy:

H ser (l ser + l zas) + M ser l zas \u003d 0,

H ser \u003d ─ M ser l zas (l ser + l zas).

W szczelinie powietrznej:

H zaz \u003d B / µ 0,

ponadto B jest określone przez dany ser M i znaleziony ser H.

Krzywa magnetyzacji

Począwszy od stanu nienamagnesowanego, kiedy H rośnie od zera, ze względu na orientację wszystkich momentów atomowych w kierunku pola zewnętrznego, M i B gwałtownie rosną, zmieniając się wzdłuż odcinka „a” głównej krzywej namagnesowania (patrz Niżej wymienione).

Kiedy wszystkie momenty atomowe są wyrównane, M osiąga wartość nasycenia, a dalszy wzrost B wynika wyłącznie z przyłożonego pola (sekcja b krzywej głównej na rysunku poniżej). Kiedy pole zewnętrzne zmniejsza się do zera, indukcja B zmniejsza się nie wzdłuż pierwotnej ścieżki, ale wzdłuż odcinka „c” ze względu na sprzężenie momentów atomowych, które mają tendencję do utrzymywania ich w tym samym kierunku. Krzywa magnetyzacji zaczyna opisywać tzw. pętlę histerezy. Gdy H (pole zewnętrzne) zbliża się do zera, to indukcja zbliża się do wartości rezydualnej wyznaczonej tylko przez momenty atomowe:

Br = μ0 (0 + Mr).

Po zmianie kierunku H, H i M działają w przeciwnych kierunkach, a B maleje (przekrój krzywej „d” na rys.). Wartość pola, przy której B spada do zera, nazywana jest siłą koercji magnesu B H C . Kiedy wielkość przyłożonego pola jest wystarczająco duża, aby złamać spójność momentów atomowych, orientują się one w nowym kierunku pola, a kierunek M zostaje odwrócony. Wartość pola, przy którym to się dzieje, nazywana jest wewnętrzną koercją magnesu trwałego M H C . Tak więc istnieją dwie różne, ale powiązane siły przymusu związane z magnesem trwałym.

Poniższy rysunek przedstawia główne krzywe demagnetyzacji różne materiały do magnesów trwałych.

Widać z niego, że to magnesy NdFeB mają największą szczątkową indukcję Br i siłę koercji (zarówno całkowitą jak i wewnętrzną, czyli wyznaczoną bez uwzględnienia siły H, tylko z namagnesowania M).

Prądy powierzchniowe (amperowe)

Pola magnetyczne magnesów trwałych można uznać za pola niektórych prądów z nimi związanych, płynących wzdłuż ich powierzchni. Prądy te nazywane są prądami amperowymi. W zwykłym znaczeniu tego słowa wewnątrz magnesów trwałych nie ma prądów. Jednak porównując pola magnetyczne magnesów trwałych i pola prądów w cewkach, francuski fizyk Ampere zasugerował, że namagnesowanie substancji można wyjaśnić przepływem mikroskopijnych prądów, które tworzą mikroskopijne obwody zamknięte. W końcu analogia między polem solenoidu a długim magnesem cylindrycznym jest prawie kompletna: istnieje biegun północny i południowy magnesu trwałego i te same bieguny dla solenoidu oraz wzory linii pól ich pól są również bardzo podobne (patrz rysunek poniżej).

Czy wewnątrz magnesu są prądy?

Wyobraź sobie, że cała objętość jakiegoś stałego magnesu sztabkowego (z dowolna forma Przekrój) jest wypełniony mikroskopijnymi prądami Amper. Przekrój magnesu z takimi prądami pokazano na poniższym rysunku.

Każdy z nich ma moment magnetyczny. Przy takiej samej ich orientacji w kierunku pola zewnętrznego, tworzą wypadkowy moment magnetyczny różny od zera. Określa istnienie pola magnetycznego przy pozornym braku uporządkowanego ruchu ładunków, przy braku prądu przez którykolwiek odcinek magnesu. Łatwo też zrozumieć, że w jego wnętrzu kompensowane są prądy sąsiednich (stykających się) obwodów. Jedynie prądy na powierzchni ciała, które tworzą prąd powierzchniowy magnesu trwałego, okazują się nieskompensowane. Jego gęstość okazuje się równa namagnesowaniu M.

Jak pozbyć się ruchomych kontaktów

Znany jest problem tworzenia bezkontaktowej maszyny synchronicznej. Jego tradycyjna konstrukcja z wzbudzeniem elektromagnetycznym z biegunów wirnika z cewkami polega na dostarczaniu do nich prądu poprzez ruchome styki - pierścienie stykowe ze szczotkami. Wady takich rozwiązanie techniczne są dobrze znane: są to trudności w konserwacji i niska niezawodność oraz duże straty w ruchomych stykach, zwłaszcza jeśli rozmawiamy o potężnych turbogeneratorach i hydrogeneratorach, w których obwodach wzbudzenia zużywana jest znaczna moc elektryczna.

Jeśli wykonasz taki generator z magnesami trwałymi, problem ze stykiem natychmiast zniknie. To prawda, że ​​istnieje problem niezawodnego mocowania magnesów na obracającym się wirniku. Tutaj może się przydać doświadczenie zdobyte przy budowie ciągników. Od dawna stosowany jest generator indukcyjny z magnesami trwałymi umieszczonymi w rowkach wirnika, wypełniony niskotopliwym stopem.

Silnik z magnesami trwałymi

W ostatnie dekady Silniki prądu stałego są szeroko stosowane. Taka jednostka jest w rzeczywistości silnikiem elektrycznym i elektronicznym wyłącznikiem uzwojenia twornika, który działa jak kolektor. Silnik elektryczny jest silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi umieszczonymi na wirniku, jak na rys. powyżej, ze stałym uzwojeniem twornika na stojanie. Elektroniczny obwód przełączający jest falownikiem napięcia (lub prądu) prądu stałego sieci zasilającej.

Główną zaletą takiego silnika jest jego bezkontaktowość. Jego specyficznym elementem jest foto-, indukcyjny lub Halla czujnik położenia wirnika, który steruje pracą falownika.

Pole magnetyczne Ziemi

Pole magnetyczne to pole siłowe, które działa na poruszające się ładunki elektryczne oraz na ciała posiadające moment magnetyczny, niezależnie od stanu ich ruchu.

Źródłami makroskopowego pola magnetycznego są ciała namagnesowane, przewodniki przewodzące prąd i poruszające się ciała naładowane elektrycznie. Charakter tych źródeł jest taki sam: pole magnetyczne powstaje w wyniku ruchu naładowanych mikrocząstek (elektronów, protonów, jonów), a także w wyniku obecności w mikrocząstkach ich własnego (spinowego) momentu magnetycznego.

Wraz ze zmianą czasu powstaje również przemienne pole magnetyczne pole elektryczne. Z kolei, gdy pole magnetyczne zmienia się w czasie, powstaje pole elektryczne. Pełny opis pola elektryczne i magnetyczne w ich relacji dają równania Maxwella. Aby scharakteryzować pole magnetyczne, często wprowadza się pojęcie linii pola sił (linie indukcji magnetycznej).

Do pomiaru charakterystyk pola magnetycznego i właściwości magnetycznych substancji, różne rodzaje magnetometry. Jednostką indukcji pola magnetycznego w systemie CGS jest Gauss (Gs), w Międzynarodowym Układzie Jednostek (SI) - Tesla (T), 1 T = 104 Gs. Intensywność mierzy się odpowiednio w erstedach (Oe) i amperach na metr (A / m, 1 A / m \u003d 0,01256 Oe; energia pola magnetycznego - w Erg / cm 2 lub J / m 2, 1 J / m 2 \u003d 10 erg/cm2.

Kompas reaguje
do ziemskiego pola magnetycznego

Pola magnetyczne w przyrodzie są niezwykle zróżnicowane zarówno pod względem skali, jak i powodowanych przez nie skutków. Pole magnetyczne Ziemi, które tworzy magnetosferę Ziemi, rozciąga się na odległość 70-80 tys. km w kierunku Słońca i wiele milionów km w kierunku przeciwnym. Na powierzchni Ziemi pole magnetyczne wynosi średnio 50 μT, na granicy magnetosfery ~ 10 -3 G. Pole geomagnetyczne osłania powierzchnię Ziemi i biosferę przed przepływem naładowanych cząstek z wiatru słonecznego i częściowo przed promieniowaniem kosmicznym. Wpływ samego pola geomagnetycznego na życiową aktywność organizmów jest badany przez magnetobiologię. W przestrzeni bliskiej Ziemi pole magnetyczne tworzy pułapkę magnetyczną dla naładowanych cząstek o wysokiej energii - pas radiacyjny Ziemi. Cząstki zawarte w pasie radiacyjnym stanowią poważne zagrożenie podczas lotów kosmicznych. Pochodzenie pola magnetycznego Ziemi jest związane z konwekcyjnymi ruchami przewodzącego płynna substancja w jądrze ziemi.

Pomiary bezpośrednie z statek kosmiczny wykazali, że ciała kosmiczne znajdujące się najbliżej Ziemi - Księżyc, planety Wenus i Mars nie mają własnego pola magnetycznego, podobnego do ziemskiego. Z innych planet Układ Słoneczny tylko Jowisz i najwyraźniej Saturn mają własne pola magnetyczne, wystarczające do stworzenia planetarnych pułapek magnetycznych. Na Jowiszu odkryto pola magnetyczne do 10 gausów oraz szereg charakterystycznych zjawisk (burze magnetyczne, emisja radiowa synchrotronowa i inne), co wskazuje na istotną rolę pola magnetycznego w procesach planetarnych.

© Zdjęcie: http://www.tesis.lebedev.ru
Zdjęcie Słońca
w wąskim spektrum

Międzyplanetarne pole magnetyczne to głównie pole wiatru słonecznego (ciągle rozszerzająca się plazma korony słonecznej). W pobliżu orbity Ziemi pole międzyplanetarne wynosi ~ 10 -4 -10 -5 Gs. Regularność międzyplanetarnego pola magnetycznego może zostać zakłócona w wyniku rozwoju różnego rodzaju niestabilność plazmy, przejście fale uderzeniowe oraz propagację strumieni szybkich cząstek generowanych przez rozbłyski słoneczne.

We wszystkich procesach na Słońcu - rozbłyskach, pojawianiu się plam i protuberancji, narodzinach słonecznych promieni kosmicznych, ważną rolę odgrywa pole magnetyczne. Pomiary oparte na efekcie Zeemana wykazały, że pole magnetyczne plam słonecznych sięga kilku tysięcy gausów, protuberancje są utrzymywane przez pola ~10-100 gausów (przy średniej wartości całkowitego pola magnetycznego Słońca ~1 gaus).

burze magnetyczne

Burze magnetyczne to silne zaburzenia pola magnetycznego Ziemi, które gwałtownie zakłócają płynny dobowy przebieg elementów ziemskiego magnetyzmu. Burze magnetyczne trwają od kilku godzin do kilku dni i są obserwowane jednocześnie na całej Ziemi.

Z reguły burze magnetyczne składają się z fazy wstępnej, początkowej i głównej oraz fazy regeneracji. W fazie wstępnej obserwuje się nieznaczne zmiany pola geomagnetycznego (głównie na dużych szerokościach geograficznych), a także wzbudzanie charakterystycznych krótkookresowych oscylacji pola. Faza początkowa charakteryzuje się nagłą zmianą poszczególnych składowych pola na całej Ziemi, a faza główna charakteryzuje się dużymi fluktuacjami pola i silnym spadkiem składowej poziomej. W fazie regeneracji po burzy magnetycznej pole powraca do swojej normalnej wartości.

Wpływ wiatru słonecznego
do ziemskiej magnetosfery

Burze magnetyczne są powodowane przez przepływy plazmy słonecznej z aktywnych obszarów Słońca, nałożone na ciszę słoneczny wiatr. Dlatego burze magnetyczne są częściej obserwowane w pobliżu maksimów 11-letniego cyklu aktywności słonecznej. Docierając do Ziemi, przepływy plazmy słonecznej zwiększają kompresję magnetosfery, powodując początkową fazę burzy magnetycznej i częściowo wnikają w magnetosferę Ziemi. Wnikanie wysokoenergetycznych cząstek do górnych warstw atmosfery Ziemi i ich oddziaływanie na magnetosferę prowadzi do powstania i wzmocnienia w niej prądów elektrycznych, osiągających największe natężenie w rejonach polarnych jonosfery, co jest przyczyną obecność strefy aktywności magnetycznej o dużej szerokości geograficznej. Zmiany w układach prądów magnetosferyczno-jonosferycznych objawiają się na powierzchni Ziemi w postaci nieregularnych zaburzeń magnetycznych.

W zjawiskach mikrokosmosu rola pola magnetycznego jest równie istotna, jak w kosmiczna skala. Wynika to z istnienia wszystkich cząstek - elementy konstrukcyjne materię (elektrony, protony, neutrony), moment magnetyczny, a także działanie pola magnetycznego na poruszające się ładunki elektryczne.

Zastosowanie pól magnetycznych w nauce i technice. Pola magnetyczne są zwykle podzielone na słabe (do 500 Gs), średnie (500 Gs - 40 kGs), silne (40 kGs - 1 MGs) i supersilne (powyżej 1 MG). Praktycznie cała elektrotechnika, radiotechnika i elektronika opierają się na wykorzystaniu słabych i średnich pól magnetycznych. Słabe i średnie pola magnetyczne uzyskuje się za pomocą magnesów trwałych, elektromagnesów, niechłodzonych elektromagnesów, magnesów nadprzewodzących.

Źródła pola magnetycznego

Wszystkie źródła pól magnetycznych można podzielić na sztuczne i naturalne. Główny naturalne źródła pole magnetyczne to własne pole magnetyczne Ziemi i wiatr słoneczny. Wszystkie sztuczne źródła pola elektromagnetyczne z którym nasz nowoczesny świat a w szczególności nasze domy. Przeczytaj więcej i przeczytaj na naszym.

Transport elektryczny jest potężne źródło pole magnetyczne w zakresie od 0 do 1000 Hz. Zastosowania transportu kolejowego prąd przemienny. Transport miejski jest stały. Maksymalne wartości indukcji pola magnetycznego w podmiejskim transporcie elektrycznym sięgają 75 µT, średnie wartości to około 20 µT. Wartości średnie dla pojazdów prowadzonych przez prąd stały ustalona na 29 μT. W tramwajach, gdzie przewodem powrotnym są szyny, pola magnetyczne kompensują się w znacznie większej odległości niż przewody trolejbusu, a wewnątrz trolejbusu wahania pola magnetycznego są niewielkie nawet podczas przyspieszania. Ale największe wahania pola magnetycznego występują w metrze. Gdy kompozycja jest wysyłana, wielkość pola magnetycznego na platformie wynosi 50-100 μT i więcej, przekraczając pole geomagnetyczne. Nawet gdy pociąg już dawno zniknął w tunelu, pole magnetyczne nie wraca do swojej poprzedniej wartości. Dopiero po tym, jak kompozycja przejdzie przez kolejny punkt połączenia z szyną stykową, pole magnetyczne powróci do starej wartości. To prawda, że ​​czasami nie ma czasu: następny pociąg już zbliża się do peronu, a gdy zwalnia, pole magnetyczne ponownie się zmienia. W samym wagonie pole magnetyczne jest jeszcze silniejsze - 150-200 μT, czyli dziesięciokrotnie więcej niż w konwencjonalnym pociągu.

Wartości indukcji pól magnetycznych, z którymi najczęściej spotykamy się w Życie codzienne pokazano na poniższym schemacie. Patrząc na ten diagram, staje się jasne, że cały czas i wszędzie jesteśmy narażeni na działanie pól magnetycznych. Według niektórych naukowców pola magnetyczne o indukcji powyżej 0,2 µT są uważane za szkodliwe. Oczywiście należy podjąć pewne środki ostrożności, aby chronić się przed szkodliwym wpływem otaczających nas pól. Wystarczy przestrzegać kilku prostych zasad, aby znacznie zmniejszyć wpływ pól magnetycznych na organizm.

Obecny SanPiN 2.1.2.2801-10 „Zmiany i uzupełnienia nr 1 do SanPiN 2.1.2.2645-10 „Wymagania sanitarno-epidemiologiczne dotyczące warunków życia w budynkach mieszkalnych i lokalach” mówi: „Maksymalna dopuszczalny poziom osłabienie pola geomagnetycznego w pomieszczeniach budynków mieszkalnych jest ustawione na 1,5". dozwolone wartości natężenie i natężenie pola magnetycznego o częstotliwości 50 Hz:

• w pomieszczeniach mieszkalnych - 5 μT lub 4 rano;
• w lokale niemieszkalne budynki mieszkalne, dzielnica, w tym na terenie działek ogrodniczych - 10 μT lub 8 godz.

Na podstawie tych standardów każdy może obliczyć ile urządzenia elektryczne może być włączony iw stanie czuwania w każdym konkretnym pomieszczeniu lub na podstawie którego zostaną wydane zalecenia dotyczące normalizacji przestrzeni życiowej.

Powiązane wideo

Bibliografia

1. Wielka sowiecka encyklopedia.

Tak jak odpoczynek ładunek elektryczny działa na inny ładunek przez pole elektryczne, prąd elektryczny działa na inny prąd przez pole magnetyczne. Działanie pola magnetycznego na magnesy trwałe sprowadza się do oddziaływania na ładunki poruszające się w atomach substancji i tworzące mikroskopijne prądy kołowe.

Doktryna elektromagnetyzm w oparciu o dwa założenia:

• pole magnetyczne działa na poruszające się ładunki i prądy;
• wokół prądów i poruszających się ładunków powstaje pole magnetyczne.

Oddziaływanie magnesów

Trwały magnes(lub igła magnetyczna) jest zorientowana wzdłuż magnetycznego południka Ziemi. Koniec wskazujący północ nazywa się biegun północny(N) a przeciwny koniec to biegun południowy(S). Zbliżając do siebie dwa magnesy, zauważamy, że ich podobne bieguny odpychają, a przeciwległe przyciągają ( Ryż. jeden ).

Jeśli rozdzielimy bieguny, przecinając magnes trwały na dwie części, okaże się, że każdy z nich również będzie miał dwa bieguny, czyli będzie magnesem trwałym ( Ryż. 2 ). Oba bieguny - północny i południowy - są nierozłączne, równe.

Pole magnetyczne wytworzone przez Ziemię lub magnesy trwałe jest przedstawiane, podobnie jak pole elektryczne, przez linie sił magnetycznych. Obraz linii pola magnetycznego dowolnego magnesu można uzyskać, umieszczając na nim arkusz papieru, na który jednorodną warstwę wylewa się opiłki żelaza. Wchodząc w pole magnetyczne trociny są namagnesowane - każda z nich ma biegun północny i południowy. Przeciwległe bieguny mają tendencję do zbliżania się do siebie, ale zapobiega temu tarcie trocin o papier. Jeśli dotkniesz papieru palcem, tarcie zmniejszy się, a opiłki będą przyciągane do siebie, tworząc łańcuchy reprezentujące linie pola magnetycznego.

Na Ryż. 3 pokazuje położenie w polu bezpośredniego magnesu trocin oraz małe strzałki magnetyczne wskazujące kierunek linii pola magnetycznego. W tym kierunku bierze się kierunek północnego bieguna igły magnetycznej.

Doświadczenie Oersteda. Prąd pola magnetycznego

W początek XIX w. duński naukowiec Ersted zrobiony ważne odkrycie, odkrywanie działanie prądu elektrycznego na magnesy trwałe . W pobliżu igły magnetycznej umieścił długi drut. Kiedy prąd przepływał przez drut, strzałka obracała się, starając się być do niego prostopadła ( Ryż. 4 ). Można to wytłumaczyć pojawieniem się pola magnetycznego wokół przewodnika.

Linie magnetyczne siły pola wytworzonego przez bezpośredni przewodnik z prądem są koncentrycznymi okręgami umieszczonymi w płaszczyźnie prostopadłej do niego, ze środkami w punkcie, przez który przepływa prąd ( Ryż. 5 ). Kierunek linii jest określony przez odpowiednią regułę śrubową:

Jeśli śruba zostanie obrócona w kierunku linii pola, przesunie się w kierunku prądu w przewodzie .

Charakterystyczna siła pola magnetycznego wynosi wektor indukcji magnetycznej B . W każdym punkcie jest skierowany stycznie do linii pola. Linie pola elektrycznego zaczynają się na ładunkach dodatnich i kończą na ładunkach ujemnych, a siła działająca w tym polu na ładunek jest skierowana stycznie do linii w każdym z jej punktów. W przeciwieństwie do pola elektrycznego linie pola magnetycznego są zamknięte, co wynika z braku „ładunków magnetycznych” w przyrodzie.

Pole magnetyczne prądu zasadniczo nie różni się od pola wytwarzanego przez magnes trwały. W tym sensie analogiem płaskiego magnesu jest długi solenoid - zwój drutu, którego długość jest znacznie większa niż jego średnica. Schemat linii stworzonego przez niego pola magnetycznego, przedstawiony na: Ryż. 6 , podobnie jak w przypadku magnesu płaskiego ( Ryż. 3 ). Kółka wskazują odcinki drutu tworzące uzwojenie elektromagnesu. Prądy płynące przez przewód od obserwatora są oznaczone krzyżykami, a prądy w kierunku przeciwnym - w stronę obserwatora - kropkami. Te same oznaczenia są akceptowane dla linii pola magnetycznego, gdy są one prostopadłe do płaszczyzny rysunku ( Ryż. 7 a, b).

Kierunek prądu w uzwojeniu solenoidu i kierunek linii pola magnetycznego w jego wnętrzu są również powiązane prawą regułą śrubową, która w tym przypadku jest sformułowana w następujący sposób:

Jeśli spojrzysz wzdłuż osi elektrozaworu, to prąd płynący w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara wytwarza w nim pole magnetyczne, którego kierunek pokrywa się z kierunkiem ruchu prawej śruby ( Ryż. osiem )

Opierając się na tej zasadzie, łatwo się domyślić, że elektrozawór pokazany na Ryż. 6 , jego prawy koniec to biegun północny, a jego lewy koniec to biegun południowy.

Pole magnetyczne wewnątrz elektrozaworu jest jednorodne - wektor indukcji magnetycznej ma tam stałą wartość (B = const). Pod tym względem elektrozawór jest podobny do płaskiego kondensatora, wewnątrz którego powstaje równomierne pole elektryczne.

Siła działająca w polu magnetycznym na przewodnik z prądem

Ustalono eksperymentalnie, że w polu magnetycznym na przewodnik przewodzący prąd działa siła. W polu jednorodnym na przewód prostoliniowy o długości l, przez który przepływa prąd I, umieszczony prostopadle do wektora pola B, działa siła: F = I l B .

Kierunek siły jest określony zasada lewej ręki:

Jeśli cztery wyciągnięte palce lewej ręki zostaną umieszczone w kierunku prądu w przewodzie, a dłoń jest prostopadła do wektora B, to cofnięty kciuk wskaże kierunek siły działającej na przewód (Ryż. dziewięć ).

Należy zauważyć, że siła działająca na przewodnik z prądem w polu magnetycznym nie jest skierowana stycznie do jego linii sił, jak siła elektryczna, ale prostopadle do nich. Na przewodnik znajdujący się wzdłuż linii siły nie ma wpływu siła magnetyczna.

Równanie F = IlB pozwala podać ilościową charakterystykę indukcji pola magnetycznego.

Postawa nie zależy od właściwości przewodnika i charakteryzuje samo pole magnetyczne.

Moduł wektora indukcji magnetycznej B jest liczbowo równy sile działającej na umieszczony prostopadle do niego przewód o jednostkowej długości, przez który przepływa prąd o natężeniu jednego ampera.

W układzie SI jednostką indukcji pola magnetycznego jest tesla (T):

Pole magnetyczne. Tabele, wykresy, wzory

(Oddziaływanie magnesów, doświadczenie Oersteda, wektor indukcji magnetycznej, kierunek wektora, zasada superpozycji. Obraz graficzny pola magnetyczne, linie indukcji magnetycznej. strumień magnetyczny, charakterystyka energetyczna pola. Siły magnetyczne, siła Ampera, siła Lorentza. Ruch naładowanych cząstek w polu magnetycznym. Właściwości magnetyczne substancje, hipoteza Ampère'a)