Магнитное поле может создаваться как естественными магнитами, так и естественными, которые являются постоянными. Также оно может быть создано и проводником, если по нему протекает электрический ток. Отсюда и вывод — здесь есть связь между явлениями магнитического характера и электрического. Но как узнать, что вокруг проводника все же есть магнитное поле? Да легко. Для этого потребуется взять подвижную магнитную стрелку, а параллельно ей поместить проводник, который является прямолинейным. После этого пропустить сквозь него электрический ток. Стрелка должна занять положение, которое перпендикулярно положению проводника. Далее можно в этом удостовериться, в том, что создается магнитное поле. Достаточно просто отключить источник тока и его подачу, как магнитная стрелка вернется в изначальное положение. Отсюда и вывод, что ток, который проходит по проводнику, и создает магнитное поле. Также есть так называемое правило «буравчика». С его помощью можно выяснить направление тока, протекающего в проводнике. При этом следует также знать направление силовых линий поля, которое создается током. Это правило гласит о том, что если буравчик мысленно у себя в голове вкручивать по направлению протекающего тока, то направление, по которому вращается его ручка, будет совпадать с тем же направлением, по которому направляются магнитные силовые линий создаваемого поля. Значит, можно сделать вывод, что вокруг проводника, который является прямолинейным, возможен проток тока. Так возникает магнитное поле, которое имеет форму кругов концентрируемого значения, а называется оно магнитным полем кругового характера. Также в электротехнике постоянного необходимо иметь дело с так называемыми катушками, которые еще по-другому называются соленоидами. И в них также есть и создается различного вида магнитные поля, которые также с легкостью можно определить как по правилу буравчика, так и по правилу той же правой руки. В ту же очередь в электротехнике также приходится и иметь дело с такими понятиями как электромагниты. Электрический магнит это, по своей сути, тот же соленоид, то есть есть катушка, только внутрь нее помещен железный сердечник. Форма и размер электрического магнита может быть разнообразным, но общая конструкция и принцип работы одинаков. Есть различные виды электромагнитов и каждый из них представляет свое личное применение и особенность. В завершении, хочется сказать и еще раз сделать упор на то, что данная статья будет полезна тем, кто вкратце нуждается в получении информации по поводу того, что есть магнитным полем, для чего оно нужно и где применяется. Также в этой статье были затронуты и такие вопросы и темы как соленоиды и электрические магниты. . |
РНФ_Криомаг
Краткий отчёт по проекту за 2020 год
Исследования магнитокалорического эффекта (МКЭ) в последнее время приобрели широкий размах во всем мире в связи с потенциальными применениями твердотельных магнитных материалов для высокоэффективного охлаждения при комнатной температуре. В проекте рассматривается новая концепция исследований и применений магнитокалорических материалов, которая предполагает создание и изучение перспективных систем твердотельного охлаждения для сверхпроводящих источников сильного магнитного поля с высокой эффективностью.
В отчёте за 1 год работы по проекту приводится обзор современного состояния исследований в области изучения материалов с магнитокалорическим эффектом на основе редкоземельных металлов и интерметаллических соединений для низкотемпературного магнитного охлаждения.

В рамках проекта были синтезированы поликристаллические образцы сплавов DyNi2, Dy5Si4 Gd3In, Gd2In методом аргонно-дуговой плавки из исходных высокочистых химических элементов Gd, Dy, In, Si чистотой не менее 99.98 ат.%. Синтезированные образцы переворачивали и переплавляли не менее трех раз для достижения большей однородности. Элементный анализ выполнялся с использованием энергодисперсионной рентгенофлуоресцентной спектроскопии на установке электронного микроскопа JEOL 7001. Рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ выполняли на рентгеновском дифрактометре Rigaku Ultima V с использованием излучения Cu-Kα.

В рамках проекта проводилось вычисление термодинамических и технических параметров криогенного магнитного рефрижератора, работающего при температуре около 25 К Было проведено моделирование процессов передачи тепла при единичном цикле охлаждения при помощи магнитокалорического рабочего тела из сплава DiNi Данный сплав DiNi2 обладает температурой Кюри равной 21.8 К. Оценка количества тепла, передаваемого от магнитокалорического тела DyNi2 теплообменной пластине из меди в квазиизотермических условиях при температуре 25 К в магнитном поле 5 Тл, составила ΔQ =ΔSmag·T=25 J/(kg·K)·25 K ≈ 625 J/kg. Теоретическое моделирование магнитокалорического однокаскадного холодильника с циклом Карно показало, что при заданных геометрических размерах для теплового контакта и магнитокалорического рабочего тела необходимо 2 сек времени, чтобы основная часть тепловой энергии порядка 4 Дж передалась от рабочего тела тепловому ключу. Известные термодинамические и магнитокалорические характеристики рабочего тела на основе сплава DyNi
Создание твердотельных криогенных систем нового поколения требует разработки источников сильных магнитных полей, превышающих по напряженности постоянные магниты. В рамках работы по проекту экспериментально исследован процесс захвата магнитного поля до 10 Тл высокотемпературным сверхпроводником YBa2Cu3O7. Получены зависимости магнитного потока, захваченного сверхпроводником, от температуры. Наибольший интерес вызывает процесс потери захваченного магнитного поля, связанный с разрушением образца ВТСП. Обсуждается физическая природа этого эффекта. Взаимодействие захваченного поля и тока вызывает внешнее давление пропорционально квадрату индукции захваченного поля. Таким образом, предел прочности сверхпроводящего материала устанавливает максимальное захваченное поле. Предел прочности YBa2Cu3O7 ~ 25 МПа, что в свою очередь соответствует 7–8 Тл захваченного магнитного потока. Предложено увеличить механическую прочность образцов, во-первых, с помощью армирования, а во вторых, с помощью легирования Y-Ba-Cu-O серебром, что позволяет повысить механическую прочность образцов. Обсуждается эксперимент с ферромагнитным материалом, в которым диск ВТСП находится между ферромагнитными дисками с помощью которых удалось сохранить захваченный магнитный поток на длительное время.
Электродинамические флуктуации являются ключевыми для большого класса физических явлений: ван-дер-ваальсово взаимодействие, сила Казимира, бесконтактный перенос тепла, захват атомов, молекул электромагнитными ловушками и др. Как известно, наличие собственных электродинамических мод в системе (ее объемных и поверхностных поляритонов) приводит к резонансным особенностям в эффектах, вызываемых электродинамическими флуктуациями. Сами электродинамические свойства системы определяются ее геометрией и характеристиками материалов, из которых система состоит (в основном, диэлектрической проницаемостью и магнитной восприимчивостью материалов). Если в одном из материалов в структуре происходит фазовый переход (ФП), то вблизи температуры ФП наблюдается скачок электродинамических параметров материала, что, безусловно, изменит спектр поляритонов системы. С другой стороны, при наличии в структуре материала, претерпевающего ФП, важно понимать особенности передачи тепла между разными элементами структуры, так как это может напрямую влиять на протекание самого ФП. В настоящей работе исследованы особенности радиационной передачи тепла в простейшей наноструктуре, состоящей из двух полупространств, занимаемых двумя разными материалами, разделенных тонким слоем (толщиной в несколько десятков нанометров) третьего материала. Предполагается, что в одном из материалов происходит ФП, который проявляется в значительном изменении диэлектрической проницаемости материала. Полученные результаты показывают, что ФП существенно изменяет характеристики термостимулированных электромагнитных полей в структуре.
Обсуждаются перспективы применения новых принципов магнитного твердотельного охлаждения для создания низких температур и сильных магнитных полей для микроэлектроники, медицины, энергетики, магнитолевитационного транспорта и многих других областей. Рассматриваются и сравниваются известные криогенные термодинамические циклы на основе газообразного рабочего тела и твердотельных, обладающих магнитными фазовыми переходами и магнитокалорическим эффектом в контексте их термодинамической эффективности и принципиальной возможности их объединения в одном устройстве для создания гибридных каскадных тепловых машин. Несмотря на существенное различие ∆T в рассмотренных циклах газовых криогенных машин и твердотельных на МКЭ, совмещение в одной гибридной конструкции принципиально возможно при современном уровне технологии. Потенциальный ожидаемый результат такого объединения – повышение суммарного эксергетического КПД всей системы, снижение потребляемой мощности при уменьшении рабочей температуры охлаждения.
Тест по физике на тему» Магнитные явления»
8 кл. Магнитные явления.
1.Магнитное поле возникает… 1) вокруг любого заряда 2) вокруг любого проводника 3) вокруг любого проводника с током 4) вокруг движущегося тела
2. Выберите верные утверждения 1) У магнита не может быть только один полюс 2) Противоположные полюса магнитов отталкиваются 3) Вокруг движущихся зарядов возникают магнитные поля 4) Полюса магнитов бывают северными, южными, западными и восточными
3. Однородное магнитное поле это: 1) Магнитное поле единичного магнитного заряда 2) Магнитное поле между однородными полюсами 3) Магнитное поле, линии которого расположены с одинаковой густотой и обладают одинаковой силой и направлением 4) Магнитное поле, линии которого параллельны
4. Выберите верные утверждения: 1) Магнитные линии замкнуты 2)Магнитные линии внутри магнита направлены от северного полюса к южному 3)Магнитные линии неосязаемы человеком 4)Магнитное поле существует только вокруг постоянных магнитов
5.Сопоставьте понятия и определения:
1) Электродвигатель 2) Электромагнит 3) Сердечник 4) Аккумулятор
А)Катушка с током и металлическим стержнем внутри Б)Металлический стержень внутри катушки с током В)Устройство, использующее взаимосвязь электричества и магнетизма Г)Источник тока
6. На рисунке показаны линии магнитного поля, которое было создано проводником с током. Каким НЕ может быть направление тока в проводнике?
1) За чертёж (от нас) 2) Из чертежа (на нас) 3) Вправо 4) Влево
5) Таким же, как и направление магнитных линий
7. Выберите верные утверждения: 1) Стрелка компаса не указывает точное направление на север 2) Северный магнитный полюс находится в северном полушарии 3) Магнитное поле Земли защищает планету от вредного излучения
4) Магнитное поле Земли одинаково в любой точке планеты
5) В природе существуют металлы, которые обладают свойствами магнитов
8. На сколько градусов повернутся магнитные стрелки, если ток в проводнике станет течь в противоположном направлении? Запишите число:
9. Некоторые предметы могут временно вести себя, как магниты. Это явление возникает…
1) Из-за существования магнитных аномалий 2) Из-за способности намагничиваться
3) Из-за нахождения рядом с проводником с током 4) Из-за магнитных бурь
10. Выберите верные утверждения: 1) Постоянные магниты — это тела, сохраняющие свои магнитные свойства в течение длительного времени 2) Магнитные аномалии — это места, где постоянные магниты теряют свои свойства 3) Северные и южные сияния — это одно из следствий солнечного ветра 4) Северные сияния возникают вблизи магнитных аномалий 5) Южные сияния возникают из-за магнитных бурь
11. Магнитное действие постоянных магнитов больше всего… 1) у северного полюса
2) у южного полюса 3) у обоих полюсов 4) в центре магнита
12. Местности, где магнитная стрелка компаса постоянно отклонена от обычного направления, называется… 1) магнитной аномалией 2) магнитным полюсом Земли
3) магнитным центром Земли 4) На Земле таких мест не существует
13. Если два северных полюса постоянных магнитов поднести друг к другу, то…
1) магниты будут взаимодействовать 2) магниты временно перестанут проявлять свойства постоянных магнитов 3) магниты будут отталкиваться
4) один из магнитов сменит полюс 5) возникнет магнитная аномалия
14. Выберите верные утверждения: 1)При вводе железного сердечника в катушку с током, магнитное поле катушки усилится 2)При вводе железного сердечника в катушку с током, магнитные линии изменят направление не противоположное 3)При вводе железного сердечника в катушку с током, произойдет короткое замыкание 4)При вводе железного сердечника в катушку с током, катушка начнет вращаться
15. На одном из рисунков в проводнике есть ток. 1) Это рисунок справа 2) Это рисунок слева 3) Неизвестно, потому что ток может течь в проводе, независимо от расположения провода
16. Сколько минимум нужно магнитов для создания магнитного поля? Запишите число:
17. Если распилить полосовой магнит на две части, то каждая из половинок будет иметь…
1) два южных полюса 2) два северных полюса 3) по одному полюсу: одна половинка — северный полюс, а другая – южный 4) по два полюса, как и исходный магнит
18. Сопоставьте: 1) Магнитосфера 2) Магнитная буря 3) магнитная аномалия
4) следствие солнечного ветра
А) увеличение солнечной активности Б)Северное сияние В)Магнитное поле Земли
Г)Залежи железных руд
19. Выберите верные утверждения об электродвигателе: 1)его КПД составляет 100%
2)его также называют электромагнитом 3)экологически чистый 4)КПД значительно выше, чем КПД теплового двигателя
20. Если по проводнику идет ток, то: 1) Вокруг него возникает магнитное поле 2) Магнитные линии сонаправлены с током 3) Он будет взаимодействовать с любым магнитом, находящимся в непосредственной близости 4) Вокруг него возникает электрическое поле
Ответы:
1) (1 б.) Верные ответы: 3;
2) (2 б.) Верные ответы: 1; 3;
3) (2 б.) Верные ответы: 3;
4) (1 б.) Верные ответы:
Да;
Нет;
Да;
Нет;
5) (1 б.) Верные ответы:
2;
3;
1;
4;
6) (1 б.) Верные ответы: 3; 4; 5;
7) (2 б.) Верные ответы: 1; 3; 5;
8) (2 б.): Верный ответ: 180.;
9) (2 б.) Верные ответы: 2;
10) (1 б.) Верные ответы: 1; 3;
11) (1 б.) Верные ответы: 3;
12) (1 б. ) Верные ответы: 1;
13) (2 б.) Верные ответы: 1; 3;
14) (1 б.) Верные ответы:
Да;
Нет;
Нет;
Нет;
15) (1 б.) Верные ответы: 1;
16) (1 б.): Верный ответ: 1.;
17) (2 б.) Верные ответы: 4;
18) (2 б.) Верные ответы:
2;
4;
1;
3;
19) (1 б.) Верные ответы:
Нет;
Нет;
Да;
Да;
20) (1 б.) Верные ответы: 1; 3; 4;
Центр сильных магнитных полей – Наука – Коммерсантъ
В Южно-Уральском государственном университете сотрудники лаборатории функциональных материалов изучают сверхпроводимость и квантовые кооперативные явления. Работа лаборатории — результат совместной деятельности челябинских вузов: ЮУрГУ и ЧелГУ. В будущем университеты намерены создать еще одну совместную исследовательскую площадку — Центр сильных магнитных полей.
Два ведущих вуза Челябинской области намерены создать в регионе Центр сильных магнитных полей. В нем ученые из Южно-Уральского государственного университета и Челябинского государственного университета будут изучать методику создания магнитных полей, свойства тел при воздействии этих полей на них, а также магнитные материалы.
Между научными коллективами двух вузов давно установилась прочная связь: совместные исследования проводятся в области математики, физики, химии. Лабораторией функциональных материалов, открытой в ЮУрГУ в 2017 году, руководит советник при ректорате ЧелГУ Дмитрий Батаев.
Сотрудники лаборатории изучают сверхпроводимость и квантовые кооперативные явления в низкоразмерных системах, материалы с памятью формы, с магнитокалорическим эффектом. Также в лаборатории работают с углеродными материалами и наноразмерными структурами.
«За три года было проведено немало успешных исследований. Прямо сейчас реализуется крупный международный российско-немецкий проект №18–42–06201 “Фундаментальные основы сжижения природного газа с помощью магнитного охлаждения”. Он финансируется РНФ-Helmholtz. Проект направлен на решение фундаментальной задачи физики конденсированного состояния и физики металлов и сплавов — разработку материалов с заданными свойствами, пригодных для применения в новой перспективной технологии сжижения газов с помощью магнитокалорического эффекта»,— рассказал руководитель лаборатории функциональных материалов ЮУрГУ Дмитрий Батаев.
Владимир Ховайло, доктор физико-математических наук, профессор, руководитель Центра энергоэффективности НИТУ МИСиС:
— Основные задачи создаваемого центра — это исследования магнитокалорического эффекта (МКЭ) в сильных магнитных полях, направленные прежде всего на разработку материалов для сжижения природных и криогенных газов, и исследования магнитных свойств материалов, перспективных для разработки новых постоянных магнитов, в частности, таких, которые не содержат редкоземельных элементов.
Очевидных преимуществ в повседневной жизни людей данные исследования не принесут. Тем не менее изучение магнитокалорического эффекта позволит создать технологию для ожижения как природных, так и криогенных (азот, неон, аргон, гелий) газов, что в итоге позволит удешевить стоимость природных газов для конечного потребителя. Что касается исследования новых постоянных магнитов, их разработка позволит снизить стоимость конечных продуктов, например электродвигателей, электроприводов и т. п., за счет уменьшения содержания в них дорогих редкоземельных элементов.
Российские центры и лаборатории сильных магнитных полей можно пересчитать на пальцах одной руки. Наиболее известные из них — это лаборатория сильных магнитных полей Института физики имени Киренского СО РАН, основная специализация которой — разработка экспериментальных методик измерений в сильных магнитных полях, исследование магнитных и транспортных свойств материалов (в частности, электросопротивления) в сильных магнитных полях. Также в этот список входит лаборатория сильных магнитных полей при Саровском физико-техническом институте, которая занимается разработкой систем для генерации сильных магнитных полей до 60 Тесла, это примерно в 60 раз больше, чем может быть создано при помощи самого мощного постоянного магнита. Как уже отмечалось выше, основной изюминкой центра при ЮУрГУ будет исследование МКЭ и магнитных свойств перспективных материалов для постоянных магнитов.
Ольга Квашенкина, руководитель лаборатории «Самоорганизующиеся высокотемпературные наноструктуры», доцент Высшей школы прикладной физики и космических технологий Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ):
— Центр сильных магнитный полей Южно-Уральского государственного и Челябинского государственного университетов будет устроен по принципу любого научного центра. В нем наверняка будут организованы тематические кластеры, развивающие узкие научные направления, связанные с изучением магнитных полей, а также с изучением взаимодействия магнитный полей с окружающей средой. Мне кажется, вообще изучение магнитных взаимодействий довольно перспективная тема. Она всегда была интересна с точки зрения быстродействия: электрические взаимодействия в веществах медленнее, чем магнитные.
В плане прикладного значения можно выделить несколько направлений. Во-первых, это магнитные носители информации, а именно создание сверхъемкой памяти на основе регулирования магнитной доменной структуры на наноуровне. Это очень интересно, перспективно, так как касается в том числе и Data Science и пока коммерческого продукта в этой области еще не создано. Во-вторых, это элементы спинтроники — раздела квантовой электроники, занимающегося созданием электроники на основе спинового токопереноса, то есть, по сути, искусственной регуляции магнитных моментов электрона и общей доменной структуры вещества. Как итог — создание квантовых компьютеров и быстродействующих элементов для них. Надеюсь, что это наше скорое будущее. В этом направлении необходимо развиваться, и создание такого центра — верный шаг.
Подобный центр уже есть и функционирует в Нижнем Новгороде. При этом нужно помнить, что каждый центр уникален как с технологической, так и с научной точки зрения. Поэтому создание центра сильных магнитных взаимодействий дополнит и расширит конкурентное преимущество нашей страны как в научном, так, надеюсь, и в технологическом плане.
Антон Конаков, старший научный сотрудник НИЛ кафедры теоретической физики физического факультета Университета Лобачевского, кандидат физико-математических наук:
— Исследованиe магнитных явлений привлекает внимание человека не то что со времен гения науки Николы Теслы — еще с древних греков, а изобретение компаса, например, относят к промежутку времени ранее 1100 года до н. э. В современном мире различные приборы, использующие магнитные поля, стали незаменимым помощником человека: для магнитной записи информации, для магнитной сепарации, для магнитного охлаждения до сверхнизких температур или магнитного удержания плазмы. Не секрет, что один из наиболее распространенных сейчас диагностических методов в медицине — магнитно-резонансная томография — базируется на использовании сильных магнитных полей.
Исследования магнитных полей и магнитных явлений широко распространены в России и мире; центров магнитных исследований достаточно много, и они разбросаны от Лос-Аламоса (США) до Токио (Япония). Тематику таких исследовательских центров можно (достаточно условно) разделить на три направления:
1) Разработка новых методов получения стационарных и импульсных сильных и сверхсильных магнитных полей, создание установок для генерации сильных и сверхсильных магнитных полей. Расширение диапазона сильных магнитных полей и способов их генерации необходимо как в фундаментальной науке, например для создания ускорителей элементарных частиц и исследования уникальных явлений микромира, так и для решения прикладных задач, например для развития высокоскоростного железнодорожного транспорта. Создание сверхсильных магнитных полей также интересно в фундаментальной физике для понимания процессов, происходящих с веществом в звездах.
2) Исследование взаимодействия сильных и сверхсильных магнитных полей с веществом и биологическими объектами. В настоящее время это наиболее важно для приложений в биомедицине.
3) Разработка и изучение новых магнитных материалов с собственными уникальными характеристиками, а также исследование изменения их свойств во внешних магнитных полях. Новые магнитные материалы находят активное применение в новом направлении электроники — спинтронике, где управление происходит не только на уровне электронных, но и магнитных свойств объектов.
В России существует несколько научных центров и лабораторий, специализирующихся на исследованиях в области физики магнитных явлений и магнитных материалов: в Санкт-Петербургском политехе Петра Великого (специализация на создании новых устройств для генерации сильных и сверхсильных магнитных полей), в Екатеринбурге (город в связи с понятными географическими и геологическими причинами можно назвать российской столицей изучения магнитных явлений и магнитных материалов), в красноярском Институте физики им. Л. В. Киренского СО РАН (разработка методик создания сильных импульсных магнитных полей и исследование свойств магнитных материалов в сильных магнитных полях).
В Нижегородской области основные центры исследования магнитных полей — это Саров (РЦЯЦ ВНИИЭФ и СарФТИ), где в 2001 году был установлен до сих пор не побитый рекорд генерации импульсного сверхсильного магнитного поля амплитудой 3 кТл (в 2 тыс. раз больше, чем в традиционном МР-томографе), а также Нижний Новгород, где в Университете Лобачевского и Институте физики микроструктур РАН с 2000-х годов активно ведутся исследования новых материалов для полупроводниковой (Университет Лобачевского) и металлической (ИФМ РАН) спинтроники, получен ряд приоритетных на мировом уровне научных результатов.
Новый челябинский центр в ЮУрГУ и ЧелГУ объединяет в себе черты двух направлений — синтеза новых магнитных материалов для различных практических применений и исследования их свойств, в том числе магнитокалорических (с приложением в области магнитного охлаждения), в сильных магнитных полях, и является конкурентом научным центрам Екатеринбурга, Красноярска и Нижнего Новгорода.
Александр Семенов, заведующий кафедрой физической электроники и технологии СПбГЭТУ ЛЭТИ, доктор технических наук:
— Исследование физических эффектов в сильных магнитных полях является весьма актуальной задачей, требующей использования целого ряда уникального оборудования и экспериментальных стендов.
Инфраструктура центра позволяет проводить систематические исследования магнитокалорического эффекта в перспективных материалах, работающих при низких температурах в высоких магнитных полях. Результаты данных исследований создадут основу для разработки принципиально новой энергоэффективной технологии сжижения природного газа с помощью магнитного охлаждения, будут способствовать разработке новых эффективных магнитокалорических материалов и устройств на их основе. В рамках этого направления в центре могут изучаться фундаментальные проблемы физики магнитных явлений, связанные с исследованием влияния термических и механических воздействий на структурные, гистерезисные, магнитотепловые и иные физические свойства перспективных микро- и наноструктурированных магнитных материалов, которые в будущем могут стать основой новой технологии сжижения природного газа с помощью магнитокалорического эффекта.
При этом исследования, проводимые таким центром, носят важное прикладное значение. Природный газ является одним из основных источников энергии как в настоящее время, так и в обозримом будущем. Для хранения и транспортировки этого типа энергии требуется сжижение, но для этого процесса требуются сложные энергоемкие компрессорные устройства, работающие при криогенных температурах (при температурах ниже 150 К эффективность сжижения традиционными методами довольно низкая). В то же время существует принципиально иной подход к сжижению газов в качестве хранилища будущей энергии — технология магнитного охлаждения. Принимая во внимание недавний прогресс в разработке сверхпроводящих магнитов с магнитными полями до 15–22 Тл, этот тип охлаждения при криогенных температурах может вызвать революцию в технологии сжижения газа.
Александр Самардак, проректор Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) по научной работе (вуз — участник «Проекта 5–100»):
— Центры сильных магнитных полей — это элемент научной инфраструктуры, в котором сосредоточено дорогостоящее оборудование для исследований физических свойств материалов в широком температурном и полевом диапазонах. Как правило, такого рода центры комплектуются измерительными комплексами типа PPMS Quantum Design, а также импульсными источниками магнитного поля. Это очень сложное научное оборудование, так как измерения проводятся в широчайшем температурном диапазоне — от жидкого гелия до 1000 К, часть используемого оборудования криогенное.
Инфраструктура центров позволяет измерять большинство физических свойств материалов в широком диапазоне температур (от 4 до 1000 К) и магнитных полей (примерно от 0 до 14 Т для стационарных полей и до 50–70 Т для импульсных). В частности, можно исследовать сверхпроводимость, магнитные свойства, транспортные свойства, свойства материалов под давлением, оптические свойства, термодинамические характеристики и прочее. Полученная информация исчерпывающе характеризует исследуемые материалы. Возможность разработки своих измерительных модулей позволяет проводить уникальные научные эксперименты на мировом уровне.
Материалы, разрабатываемые и исследуемые в такого рода центрах, используют абсолютно во всех сферах науки и техники: в медицине, авиа- и кораблестроении, энергетике, приборостроении, микроэлектронике и т. д. За счет новых или улучшенных свойств материалов можно оптимизировать существующие или создать принципиально новые системы и оборудование. Приведу пример: если получится синтезировать безредкоземельные постоянные магниты на основе фазы тетратенита (это сплав FeNi), произойдет технологическая революция в области энергетики, так как эти материалы придут на замену дорогостоящим постоянным магнитам на основе редкоземельных элементов.
Комментарии подготовлены при поддержке «Проекта 5-100»
Урок физики в 9-м классе «Электромагнитное поле»
Цели урока:
образовательные: изучить новое понятие “электромагнитное поле”; повторить ранее пройденные определения электрического поля, магнитного поля, условия их возникновения, свойства; закрепить правила правой и левой руки с помощью упражнений.
воспитательные: воспитывать добросовестное отношение к учебе, прививать навыки как самостоятельной работы, так и работы в коллективе, воспитывать познавательную потребность и интерес к предмету.![]()
развивающие: развивать способность быстро воспринимать информацию и выполнять необходимые задания; развивать логическое мышление и внимание, умение анализировать, сопоставлять полученные результаты, делать соответствующие выводы.
Оборудование: проводник с током и магнитная стрелка для проведения опыта Эрстеда; катушка, соединённая с гальванометром, постоянный магнит для демонстрации явления электромагнитной индукции.
Ход урока.
Организационный момент.
Цели нашего сегодняшнего урока : во-первых, повторить и обобщить знания по теме “Магнитное поле”, а во-вторых, познакомиться с новым видом материи – электромагнитным полем, определить условия его возникновения в пространстве. Электромагнитное поле играет важную роль в нашей жизни.
Повторение ранее пройденного учебного
материала.
Приготовились к устному опросу:
Как в пространстве создаётся электрическое поле?
Чем в пространстве порождается магнитное поле?
Как его можно изобразить графически?
Перечислите основные свойства силовых линий?
Какое поле называется однородным, какое неоднородным?
Сформулируйте правило правой руки, правило левой руки.
Как рассчитать модуль вектора магнитной индукции?
Зависит ли он от силы тока, длины проводника, силы, действующей на проводник ?
Какое направление имеет вектор магнитной индукции?
В чем заключается суть явления электромагнитной индукции?
А теперь выполним несколько упражнений. Откройте, пожалуйста, тетради, запишите сегодняшнее число, Классная работа.
На доске и на листочках, лежащих перед вами
приведены четыре задания.
Определить полюсы постоянного магнита и изобразить линии магнитной индукции поля (рис. 1).
Показать направление силовых линий магнитного поля рамки с током (рис. 2).
В магнитное поле внесены 4 проводника с током. Каково направление силы, действующей на каждый проводник (рис. 3).
Определить знак заряда частицы (рис.4).
Молодцы ребята! Вы хорошо усвоили материал. Переходим к изучению новой темы. Запишите, пожалуйста, тему урока “ Электромагнитное поле”.
Объяснение нового материала.
Ребята, мы повторили с вами электрическое и
магнитное поля, и на примерах убедились, что они
неразрывно связаны. В 8 классе вы узнали, что
электрический ток порождает магнитное поле: в
1820 году Эрстед провел следующий опыт (опыт
Эрстеда, магнитная стрелка поворачивается
вблизи проводника с током). А в этом году вы
познакомились с явлением электромагнитной
индукции, открытое 29 августа 1831года Фарадеем,
выяснили, что магнитное поле само способно
порождать электрический ток (показываю опыт
Фарадея, рис. 125, 126 [1]).
В этом же году в Англии родился Джеймс Клерк Максвелл, который сделал важнейшее научное открытие. Оно позволило более глубоко понять сущность явления электромагнитной индукции.
Давайте вспомним, что такое электрический ток? (Ребята отвечают) Правильно – это направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля. Получается, что в опытах Фарадея изменяющееся магнитное поле создает именно электрическое поле, под действием которого и возникает индукционный ток, а замкнутый проводник лишь индикатор, позволяющий обнаружить поле.
К такому выводу пришел Максвелл в 1865 году. Он теоретически доказал, что
Любое изменение со временем магнитного поля
приводит к возникновению изменяющегося
электрического поля, а всякое изменение со
временем электрического поля порождает
изменяющееся магнитное поле.
Отсюда следует вывод:
Порождающие друг друга изменяющиеся электрическое и магнитное поля образуют единое электромагнитное поле.
Запишем это в тетрадях.
Важно понять, что это не совокупность электрического и магнитного полей, а единое целое, они не могут существовать друг без друга.
Как создать в пространстве электромагнитное поле?
Движущимся постоянным магнитом, изменяющимся
во времени магнитным полем. Вокруг зарядов,
движущихся с постоянной скоростью (например,
вокруг проводника с постоянным током) создается
постоянное магнитное поле. Но если электрические
заряды движутся с ускорением, например,
колеблются, то создаваемое ими электрическое
поле периодически меняется. Изменяющееся во
времени электрическое поле создает в
пространстве переменное магнитное поле, которое,
в свою очередь, создает меняющееся электрическое
и т. д. Запишем:
Источниками электромагнитного поля могут быть:
движущийся магнит;
электрический заряд, движущийся с ускорением или колеблющийся.
Действительно, электрическое и магнитное поля возникают вокруг электрических зарядов, причем электрическое поле существует всегда, в любой системе отсчета, магнитное – в той, относительно которой заряды движутся, а электромагнитное – в системе отсчета, относительно которой заряды движутся с ускорением.
Переменное электрическое поле называется вихревым, его силовые линии замкнуты, подобно линиям индукции магнитного поля. Это отличает его от электростатического поля, которое существует вокруг неподвижных заряженных тел. Более подробно мы изучим эти понятия в 10–11 классах.
Электромагнитное поле может распространяться
в пространстве в виде электромагнитных волн.
Обнаружить их удалось лишь в 1886 году, спустя 22
года после открытия Максвелла, уже после его
смерти (1879), немецкому физику Генриху Герцу. Опыты
Герца блестяще подтвердили предсказания
Максвелла.
Закрепление пройденного материала.
Ваши вопросы по теме? Тогда давайте повторим:
Кем и когда была создана теория электромагнитного поля и в чём заключалась её суть?
Что служит источником электромагнитного поля ?
Чем отличается вихревое электрическое поле от электростатического?
Теперь снова вернёмся к нашим листочкам и решим несколько качественных задач.
Заряженное тело покоится относительно неподвижного стола. Учитель равномерно и прямолинейно движется относительно стола. Можно ли обнаружить постоянное магнитное поле в системе отсчета, связанной с учителем?
Какое поле возникает вокруг электрона, если он: покоится; движется с постоянной скоростью; движется с ускорением?
В электронной пушке создаётся поток равномерно движущихся электронов.
Можно ли обнаружить магнитное поле в системе отсчёта, связанной с одним из движущихся электронов?
Пластмассовую расчёску потёрли о ткань, и она зарядилась статическим электричеством. Какое поле можно обнаружить вокруг неподвижной расчёски? Вокруг движущейся?
Постоянный магнит покоится на столе. Какое поле можно обнаружить в системе отсчёта, связанной с Землёй? с Солнцем?
Заключение.
На сегодняшнем уроке вы познакомились с новым видом материи – электромагнитным полем, узнали, какими способами можно создать его в пространстве. Выяснили, чем отличаются вихревое электрическое и электростатическое поля. Закрепили пройденный материал, ответив на ряд вопросов и решив несколько задач.
Записываем домашнее задание:
§ 51, вопросы к нему, упражнение.[1].
Подведем итоги урока:
Что мы узнали нового на уроке?
Понятие электромагнитного поля.
Источники электромагнитного поля.
Вихревое электрическое и электростатическое поля.
Оценки за урок.
Урок окончен, до свидания.
Список литературы:
1. Пёрышкин А.В. Физика. 9 кл.: Учебник для общеобразовательных учебных заведений / А.В. Пёрышкин, Е.М. Гутник. – 5-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2002.
Ученые Университета ИТМО разработали метод беспроводной передачи сигнала в МРТ
Ученые Университета ИТМО впервые в мире смогли доказать эффективность беспроводной передачи сигнала в клинических задачах магнитно-резонансной томографии. При этом получаемые МР-изображения не уступают и даже превосходят по качеству те, которые получаются на томографах с помощью повсеместно используемого метода передачи сигнала по радиочастотным кабелям. Разработка уже прошла первые клинические испытания на добровольцах в медицинском исследовательском Центре им. В.А. Алмазова в Петербурге, а также получила премию Американского физического общества. Результаты работы ученых были опубликованы в MagneticResonanceinMedicine, наиболее авторитетном научном издании в области медицинской МРТ.
Как работает передача сигнала в классических МР-томографах
Принцип работы магнитно-резонансной томографии основан на возбуждении магнитного резонанса в организме и регистрации радиочастотного отклика. Возбуждение происходит путем создания в томографе однородно распределенного радиочастотного магнитного поля. При этом внутри томографа, куда помещают пациента, также должно быть создано сильное постоянное магнитное поле (1.5-3 Тл в клинических томографах). Именно комбинация постоянного и радиочастотного полей воздействует на атомы водорода в мягких тканях организма. В этих условиях может происходить ядерный магнитный резонанс, который приводит к сильному синхронному изменению направления спинов атомных ядер – протонов. По окончании радиочастотного возбуждения атомы постепенно возвращаются в исходное состояние. Однако во время этого перехода протоны испускают радиочастотное излучение. У разных органов и тканей это излучение будет разным из-за разной концентрации протонов, что позволяет получить контраст между ними в изображении. Его регистрирует специальная антенна, а принятый ею сигнал затем передается на приемники, оцифровывается и далее анализируются компьютером. Антенны в МРТ исторически называются радиочастотными катушками.
В клинических томографах возбуждение осуществляется при помощи единой передающей катушки, расположенной под обшивкой внутренней части корпуса томографа. Она незаметна для пациента. Использовать ее для приема радиочастотного отклика протонов в медицинской диагностике удобно, но так не делают, потому у катушки очень низкая чувствительность. Дело в том, что отклик протонов настолько слабый, что выделить его на фоне шумов можно, только если приемная антенна будет расположена непосредственно на пациенте. Поэтому в каждом МРТ центре имеется набор приемных антенн, специально разработанных для сканирования различных органов и отделов организма. Так существуют приемные катушки для головы, тела, конечностей, спины и другие. В каждом случае они имеют специально подобранные форму и размер. Перед проведением сканирования приемная катушка размешается на пациенте и подключается к разъему приемного устройства при помощи кабеля. Приемные катушки достаточно дороги из-за их уникальности, при этом они должны быть изготовлены производителем томографа. Иначе катушку будет не подключить к разъему на томографе из-за систем идентификации.
Что сделано
Ученые университета ИТМО усовершенствовали технологию работы катушек так, что удалось отказаться от использования кабелей и подключения к разъемам приемника. Для этого нужно сделать так, чтобы сигнал от приемной катушки (той самой, которая надевается на исследуемую область тела) попадал в приемник не по кабелю, а беспроводным способом.
Как это сделать? Усовершенствовать приемную катушку и связать ее с катушкой за корпусом томографа посредством резонансной индуктивной связи. В предложенном методе радиочастотный отклик принимает беспроводная приемная катушка – специально разработанный резонатор, располагаемый на пациенте. Затем сигнал беспроводным способом практически без потерь передается катушке за корпусом без проводов. И лишь затем попадает в приемник.
Ученые Международного центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО разработали новую структуру беспроводной катушки, которая сходна со структурой элементарных ячеек метаматериалов. Речь идет о метасоленоиде – периодической структуре из разомкнутых контуров, которая работает как соленоид с однородным магнитным полем только в радиочастотном диапазоне и при этом не взаимодействует с постоянным полем магнита. Метасоленоид и катушка за корпусом томографа образуют систему индуктивно связанных резонаторов на рабочей частоте томографа (63.8 МГц для клинического томографа с полем магнита 1. 5 Тл), благодаря чему достигается беспроводная передача сигнала.
При этом беспроводная катушка также помогает сфокусировать поле катушки за корпусом. Благодаря использованию метасоленоида в качестве беспроводной катушки можно получить однородное магнитное поле по всей области фокусировки. То есть можно, например, концентрировать магнитное поле лишь в пределах области сканирования, на определенном участке тела.
Станислав ГлыбовскийС использованием беспроводной катушки удается произвести возбуждение протонов с тем же уровнем радиочастотного магнитного поля при мощности передатчика в 50 раз ниже. В режиме приема удается доставить в приемник принятый сигнал беспроводным способом практически без потерь.
«Испытания беспроводной катушки показали, что она не менее эффективна, чем традиционная проводная, и может иметь даже более низкий коэффициент потерь сигнала, чем при передаче через кабель. То есть мы получаем более качественное изображение с лучшим соотношением сигнал/шум.
Кроме того, сама катушка удобна в использовании, так как отсутствует необходимость ее подключения», – прокомментировал автор статьи, научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Станислав Глыбовский.
Ученый может наверняка говорить об улучшении характеристик изображений с использованием новой технологии, так как уже были проведены ее клинические испытания и сделаны сравнения с коммерческими катушками, используемыми на данный момент в центрах МРТ.
Разработка и клинические испытания
На этапе разработки беспроводной катушки в томографах ученые Университета ИТМО сотрудничали со специалистами ООО «С.П.Гелпик». Это отечественный производитель оборудования для медицинской диагностики. На оборудовании компании удалось изучить и отладить механизм взаимодействия беспроводной катушки с катушкой за корпусом томографа.
Клинические испытания разработанной катушки были проведены в рамках Института трансляционной медицины Университета ИТМО совместно с сотрудниками научно-исследовательской лаборатории магнитно-резонансной томографии медицинского Центра им. В.А. Алмазова. Консультации также проводились с коллегами из Университетского медицинского центра города Утрехт в Голландии. Но перед началом испытаний на добровольцах ученым нужно было пройти этический комитет.
Чтобы сделать это, было проведено компьютерное моделирование работы беспроводной катушки в составе томографа, чтобы показать ее безопасность для организма человека. С помощью расчета и с использованием детальной модели организма человека ученые проанализировали, как распределяются магнитные поля и как происходит нагрев живых тканей. Затем исследователи в течение около полутора лет тестировали работу катушки на фантомах. Это емкости с жидкостью, которая имеет усредненные электромагнитные свойства тканей организма. Также некоторое время у исследователей ушло на то, чтобы правильно настроить томограф на работу с новой катушкой. В этом ученым из Университета ИТМО очень сильно помогли специалисты Центра Алмазова.
После этого начались сами клинические испытания, которые проводились со здоровыми добровольцами. Ученые сканировали запястный сустав с помощью новой беспроводной катушки и коммерческой катушки таких же размеров, подключаемой кабелем, а затем сравнивали качество снимков.
«Мы получили результаты in vivo. В этом и была наша задача: убедить медицинское сообщество в эффективности беспроводной передачи сигнала для клинических применений в сравнении со стандартным методом. До нас это никому еще не удавалось, да и мало кто исследовал беспроводные катушки. В статье, которая опубликована в MagneticResonanceinMedicine, мы детально разбираем, как сделана наша катушка и как ее необходимо использовать, чтобы это мог понять и инженер, который делает МР-томографы, и врач, который проводит диагностику», – сказал Станислав Глыбовский.
Что говорят медики
О преимуществах новой беспроводной катушки с точки зрения медиков ITMO.NEWS рассказал Александр Ефимцев, заведующий научно-исследовательской лабораторией лучевая визуализация НИО лучевой диагностики Центра Алмазова. Он также выступает соавтором научной статьи по итогам разработки катушки.
Во-первых, отсутствие необходимости подключать провод позволяет разместить катушку в независимости от разъема, максимально удобно и близко к исследуемой зоне. Это уменьшает время укладки пациента и соответственно ускоряет скорость проведения исследования. Во-вторых, пациенты с разным объемом исследуемых частей тела, например коленного сустава, смогут быть обследованы с максимальным качеством. В-третьих, иногда очень тучные пациенты не помещаются в радиочастотную катушку, приходится использовать гибкую катушку для тела, при этом качество изображения может ухудшаться, либо время исследования увеличивается в 2-3 раза.
Александр Ефимцев
Что касается непосредственно исследований кистевого сустава, они выполняются на большинстве аппаратов с применением катушки для коленного сустава, из-за чего пациент вынужден лежать на животе с вытянутой рукой в течение 20 минут и при этом не шевелиться. Это затруднительно, особенно для пожилых людей: рука затекает, пациент шевелит ей, медперсоналу приходится переделывать программы. В случае с беспроводной катушкой ее можно разместить прямо на животе у пациента, спокойно положить туда руку. В результате пациенту комфортно, он может поспать, а врачи в это время без осложнений сканировать и 20, и 30 минут. Это очень важно, подчеркнул Александр Ефимцев.
Также, у стандартных катушек есть одна особенность – краевые артефакты, которые возникают из-за слабого сигнала по периферии. У беспроводной катушки такой эффект отсутствует, изображение абсолютно равномерно по яркости, контрастности и геометрии по всему полю обзора. А ведь такие мелочи составляют ценную диагностическую информацию.
«Качество изображений, получаемых с помощью такой беспроводной катушки, на самом деле выше, даже со стандартными импульсными последовательностями, при правильном выборе параметров настройки как самой катушки, так и протокола.
И особенно это заметно при использовании специальных импульсных последовательностей: T1-градиентное эхо, диффузионная и диффузионно-тензорная визуализация, МР-спектроскопия. Здесь превосходство практически в два раза! Сейчас в процессе разработки – модификация катушки для головы, самой неизученной «части» человека. Мы с нетерпением ждем начала испытаний, и если все пойдет успешно, исследования заболеваний головного мозга будут идти уже на новом уровне. Так что, складывая все перечисленные факторы воедино, можно смело сказать, что катушка, разработанная вместе с учеными Университета ИТМО, весьма стоящая, в некоторых отношениях намного лучше стандартных катушек», – прокомментировал Александр Ефимцев.
Дальнейшие перспективы
Процедура МРТНа текущем этапе ученые Университета ИТМО разработали катушку только для запястного сустава. Однако в перспективе – работа над катушками и для других органов и суставов. Так, сегодня существует необходимость создания катушки для эффективного исследования молочных желез или областей, в которых очень много мелких суставов, хрящей, сухожилий, в том числе, это ступни, кисти рук, привела примеры ведущий автор статьи Алёна Щёлокова, научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов. Чем более хорошо катушка-соленоид будет принимать радиочастотный отклик тканей, тем более детальное изображение можно получить.
«МРТ – это одно из немногих приложений использования метаматериалов в радиочастотном диапазоне. Антенна, созданная по подобию метаматериалов, может регистрировать только узкополосный сигнал, а томограф как раз работает в конкретной узкой полосе частот. Именно на этом примере мы можем видеть, как метаматериалы находят применение в технике. И в этом случае большую роль играют междисциплинарные исследования. Так, изначально мы думали, что с нашей стороны будет достаточно разработать катушку и передать ее медикам, чтобы они сами исследовали, как ее применять на практике. Однако, в ходе работы мы увидели, что без детального понимания особенностей функционирования томографа на практике и запросов врачей мы не смогли бы сделать устройство, которое обладало бы преимуществами над проводными катушками и которое можно было бы встроить в работающий томограф.
Знания, которые мы получили в ходе этой научной работы, помогут в дальнейшем улучшении МРТ», – подчеркнула Алёна Щёлокова.
Признание научным сообществом
По словам Станислава и Алёны, они не были уверены, что статья об их разработке будет принята журналом MagneticResonanceinMedicine, так как убедить научное сообщество в возможности улучшения повсеместно распространенной технологии диагностики непросто. Однако оказалось, что предложенный метод вызвал интерес как в физическом, так и в медицинском сообществах.
Алёна ЩёлоковаТак, еще на конференции Metamaterials-2017, которая состоялась в августе прошлого года, стендовый доклад о физических принципах работы катушки был признан лучшим Американским физическим обществом (AmericanPhysicsSociety). Сама конференция является самой крупной и авторитетной в области метаматериалов. Более того, результаты клинических испытаний катушки ученые Университета ИТМО представят в рамках устного доклада на ведущем симпозиуме по МРТ JointAnnualMeeting ISMRM-ESMRMB-2018, который состоится в июне в Париже.
Статья: Volumetric Wireless Coil Based on Periodically Coupled Split-Loop Resonators for Clinical Wrist Imaging, Alena V Shchelokova, Cornelis A T van den Berg, Dmitry A Dobrykh, Stanislav B Glybovski, Mikhail A Zubkov, Ekaterina A Brui, Dmitry S Dmitriev, Alexander V Kozachenko, Alexander Y Efimtcev , Andrey V Sokolov, Vladimir A Fokin, Irina V Melchakova, Pavel A Belov, Magnetic Resonance in Medicine, 2018.
Перейти к содержаниюМагнитное поле неразрывно связано с электрическим током
Магнитное поле постоянного тока
Как отмечалось выше электрические
и магнитные поля являются двумя сторонами
единого электромагнитного поля. При
определенных условиях эти стороны
единого электромагнитного поля можно
рассматривать в отдельности. Так, если
в каком-либо объеме пространства
расположены неподвижные электрические
заряды, то для неподвижного по отношению
к этой системе наблюдателя обнаруживается
только электростатическое поле. Однако,
если в это же время другой наблюдатель
будет двигаться вместе с магнитной
стрелкой по отношению к заряженным
телам, то он обнаружит наличие и магнитного
поля. В данном разделе мы будем
рассматривать такие условия, в которых
можно учитывать наличие только магнитного
поля единого электромагнитного поля.
Магнитное поле неразрывно связано с электрическим током, причем связь эта – обоюдная: если протекает электрический ток, то он неизбежно создаёт магнитное поле; если существует магнитное поле, то оно обязательно создано каким-то током (этот ток может протекать не обязательно в непосредственной близости от пространства, в котором создано магнитное поле). Так в рассмотренном выше примере при движении наблюдателя с магнитной стрелкой относительно неподвижных зарядов или все равно что движение зарядов относительно наблюдателя — есть ток (ток переноса), почему наблюдатель и обнаруживает магнитное поле.
Тоже можно сказать, когда в
какой-либо области пространства
обнаруживается магнитное поле, окружающее
скажем неподвижные к наблюдателю
постоянные магниты: неподвижный пробный
заряд не испытывает никаких сил
(электростатического поля нет). Однако
наблюдатель, движущийся вместе с пробным
зарядом, обнаруживает и электрическое
поле, так как при движении относительно
него магнитов будет иметь место изменение
магнитного потока, а оно в соответствии
с законом электромагнитной индукции
вызывает в этом пространстве индуцированное
электрическое поле. Да и сами магниты
создают поле благодаря элементарным
электрическим токам, существующим в
веществе магнита.
М
агнитное
поле непосредственно на органы чувств
человека не воздействует. Обнаружить
его можно по силовому воздействию с его
стороны на проводник с током (или
движущийся заряд). Основной величиной,
характеризующей магнитное поле, является
магнитная индукция. Она характеризует
интенсивность поля в каждой его точке.
В основу определения индукции как раз
и положено механическое воздействие
со стороны поля на помещенный в него
проводник с током. Пусть проводник с
током помещен в магнитное поле с индукцией В (рис.12.1). Опыт показывает, что сила,
с которой поле воздействует на элемент
проводника длиной dl с током I,
определяется следующим образом
Направление
этой силы определяется по правилу левой
руки, она перпендикулярна вектору В в данной точке и вектору элементарного
тока Величина силы определяется по
формуле Если индукция и элементарный ток
параллельны (=0),
то проводник не испытывает механического
воздействия со стороны поля. Сила,
действующая на проводник, будет
максимальной, если индукция и элементарный
ток перпендикулярны. Индукция измеряется
в теслах (Тл=)
и она будет равняться 1Тл, если на
проводник длиной 1м и с током 1А будет действовать сила в 1Н (=90о).
Кроме индукции магнитное
поле характеризуется векторами
напряженности поля Н и намагниченности
вещества J.
Указанные величины связаны следующим
образом:
,
где о=4*10-7Гн/м – абсолютная магнитная
проницаемость вакуума (магнитная
постоянная). Слагаемое показывает на сколько магнитная индукция
в данной среде отличается от магнитной
индукции в вакууме. Это отличие связано
с молекулярными процессами, происходящими
в веществе. Для однородных и изотропных
сред и в случае слабых полей намагниченность
пропорциональна напряженности поля где — магнитная восприимчивость. Тогда где а и r – cоответственно абсолютная
и относительная магнитная проницаемость
среды, в которой создано поле. Напомним,
что в электротехнике для всех веществ,
кроме ферромагнитных и их сплавов,
принимается r=1.
О
сновным
законом, характеризующим магнитное
поле, является закон полного тока,
устанавливающий связь между напряженностью
поля и токами, его создающими. Интегральная
форма этого закона гласит: циркуляция
вектора Н равна полному току или Если контур, выделенный в магнитном
поле (рис.12.2), разбить на бесконечно
большое число элементарно малых участков
с длинами dl, и
на каждом из этих участков перемножить
векторы Е и dl, а затем просуммировать
все эти произведения, то это и будет
циркуляция вектора Н. Под полным
током понимают алгебраическую сумму
токов, пересекающих поверхность,
ограниченную контуром интегрирования
причем в этой сумме с плюсом берут токи,
направление которых связано с направлением
обхода контура правилом буравчика
(правоходового винта).
Для примера,
показанного на рис.12.2 полный ток
I=I1—I2+I3.
Интегральная форма закона полного
тока применяется, когда может быть
использована симметрия в поле. Например,
если магнитное поле создано уединенным
прямолинейным проводником с током,
протекающим от нас, в любой точке,
отстоящей на расстояние r от центра провода, векторы Н и dl совпадают
по направлению (рис.12.3), а величина
вектора Н одинакова в силу симметрии.
С учетом сказанного имеем: Полный ток для точек, находящихся за
пределами провода, будет I=I. Тогда
Е
сли какое-либо поле имеет сложный характер и не удается составить контур, все точки которого находились бы в симметричных условиях, то хотя интегральная форма закона полного тока остается справедливой, но использовать её не представляется возможным из-за трудностей математического характера. В подобных случаях применяется дифференциальная форма закона полного тока, которую далее и рассмотрим.


С другой стороны
Поскольку равенство векторов возможно только при равенстве их проекций, то Именно последние три выражения используются в практических расчетах, которые можно вести лишь в проекциях.
Формально можно представить в виде векторного
произведения векторов набла и Н. В
этом нетрудно убедиться путём
непосредственного перемножения
с учетом того, что и т. д.
В связи с изложенным закон полного тока в дифформе часто записывают так:
Принцип непрерывности магнитного потока
Магнитный поток есть поток
вектора магнитной индукции через
некоторую поверхность S:
[Вб].
Если поверхность S будет замкнута сама на себя, то поток,
пронизывающий такую поверхность, будет Опыт показывает, что вошедший внутрь
любого объёма магнитный поток равен
потоку, вышедшему из него, т.е. сумма
вошедших и вышедших в объём потоков
равна нулю: Эта формула представляет математическую
запись принципа непрерывности магнитного
потока в интегральной форме. Поделим
обе части этого уравнения на объём V,
находящийся внутри поверхности S,
и определим предел отношения, когда V стремится
к нулю: или Это дифференциальная форма записи
принципа непрерывности магнитного
потока. Следовательно, в любой точке
магнитного поля нет ни стока ни истока
линий вектора В. Линии вектора В нигде не прерываются, они представляют
собой замкнутые сами на себя линии. За
положительное направление этих линий
принято выбирать то, куда будет обращен
северный полюс магнитной стрелки,
внесенной в поле. Так как то при или т.е. в средах с постоянной магнитной
проницаемостью линии вектора Н также являются непрерывными (в отличие
от силовых линий электростатического
поля).
На основании закона
полного тока в дифформе Если взять совокупность точек магнитного
поля, в которых то для них Это говорит о том, что в областях, не
занятых постоянным током, магнитное
поле является безвихревым, т.е.
потенциальным. Известно, что потенциальное
поле можно определять как поле, каждая
точка которого имеет скалярный (магнитный
в данном случае) потенциал м.
Связь между напряженностью магнитного
поля Н и скалярным магнитным
потенциалом м такая же как и в любом потенциальном
поле: Согласно принципа непрерывности
магнитного потока а при Подставляя в последнее выражение
формулу получим или Это уравнение можно записать через
оператор набла: или Таким образом, скалярный магнитный
потенциал, о котором может идти речь
только для областей, не занятых током,
описывается уравнением Лапласа.
Напомним,
что уравнение Лапласа по-разному
раскрывается в различных системах
координат. Пользуясь этим уравнением
можно рассчитывать поле постоянного
магнита, поле машины постоянного тока
в воздушном зазоре и другие магнитные
поля в областях, не занятых током.
Разность скалярных магнитных потенциалов между какими-либо точками поля называется магнитным напряжением между ними: Магнитное напряжение имеет много общего с электрическим напряжением, но имеет и существенные отличия, главные из которых заключается в том, что оно измеряется в
А, а также в том, что его величина может быть разной в зависимости от пути, по которому оно определено. Так, если поле создано прямолинейным проводником с током I (рис.12.5), то , определенное по пути 1-3-2 в точности равно , определенному по пути 1-4-2, однако оно будет отличаться от , определенному по пути 1-5-2, причем отличаться ровно на величину тока в проводе. Последнее непосредственно следует из закона полного тока в интегральной форме.
Для расчета магнитных полей
широко используется векторный магнитный
потенциал. Его обозначают так Это расчетная, искусственно введенная
в расчет величина, которая плавно
изменяется при переходе от одной точки
к другой и такая, что Основанием для представления в виде служит то обстоятельство, что дивергенция
ротора любого вектора равна нулю, а в
магнитном поле согласно принципа
непрерывности магнитного потока Векторный магнитный потенциал вводится
в расчет по следующим причинам: 1)
определение по заданной плотности тока путем
непосредственного решения уравнения часто приводит к сложным расчетам в
связи с чем удобнее сначала определить
величину
,
а по ней уже
;
2) используя проще определить магнитный поток,
пронизывающий какую-либо поверхность.
Векторный магнитный потенциал применим
ко всем областям поля: как не занятым
током, так и занятым им. Выведем уравнение,
позволяющее рассчитывать
. С этой целью умножим на а выражение и с учетом того, что а =const, получим или или
.
Из математики известно,
что Уравнение не однозначно определяет
.
Поэтому нужно задать ещё величину Положим, что
,
что отражено в определении для
.
Это означает, что линии вектора являются непрерывными (как и линии
вектора В).
Тогда выражение для расчета принимает вид Это выражение получило название уравнения
Пуассона для магнитного поля. Так как и
–
это векторы, то их можно представить
через проекции: Тогда уравнение Пуассона распадается
на три уравнения для скалярных величин: Именно последние три формулы используются
в практических расчетах.
Рассмотрим
как можно определить магнитный поток,
используя ветор-потенциал магнитного
поля. Магнитный поток,пронизывающий
поверхность S,
есть поток вектора В через эту поверхность Поскольку то Согласно теореме Стокса Для выяснения справедливости этого
равенства разобъём поверхность S на элементарные площадки (рис. 12.6) и
заменим интеграл суммой конечного числа
слагаемых, а вместо ротора подставим в соответствии с его определением
(опустив знак предела) величину Тогда т.е. для вычисления необходимо определить составляющие
циркуляции вектора А по контурам всех элементарных площадок
и сложить их. Так как при составлении
циркуляции обход участков, являющихся
смежными между какими-либо соседними
площадками, совершается дважды и в
противоположных направлениях, то
составляющие циркуляции на этих участках при
суммировании взаимно
уничтожаются и остаётся циркуляция
только по периферийному контуру mnpq,
т.е. Следовательно, т.е. для определения магнитного потока,
пронизывающего некоторую поверхность S,
нужно вычислить циркуляцию вектор-потенциала
по контуру, на который опирается данная
поверхность S.
Определение Ф через значительно проще чем через индукцию В, так как: 1)
линейный интеграл определяется проще
чем поверхностный; 2) при определении Ф по необходимо знать индукцию во всех точках
поверхности S,
тогда как при вычислении его по достаточно знать значения последнего
только в периферийных точках поверхности S (в точках периферийного контура).
В
магнитном поле имеют место свои граничные
условия. Их два, но они могут быть
сформулированы одним предложением: для
всех точек, являющихся общими для двух
различных магнитных сред равны по
величине тангенциальные составляющие
вектора Н и нормальные составляющие вектора В.
Первое условие выводится путём составления
циркуляции вектора Н вдоль бесконечно малого плоского контура mnpq, окружающего
выбранную точку (рис.12.7), подобно тому
как это было сделано в электростатическом
поле откуда Н1t = Н2t.
Это условие соблюдается, если на границе
раздела сред не протекает поверхностный
ток (ток с линейной плотностью в бесконечно тонком плоском проводнике
между средами). А если такой ток имеется,
то полный ток будет не ноль, а dl и
тогда Н1t — Н2t=, т.е. при наличии
поверхностного тока тангенциальная
составляющая претерпевает разрыв на величину линейной
плотности поверхностного тока, но как
правило такой ток отсутствует.
Равенство В1n= В2n вытекает из принципа непрерывности магнитного потока Для его доказательства выделим бесконечно малый плоский параллелепипед (рис.12.8) и подсчитаем поток через его грани: или В1n=В2n. Из этих соотношений вытекает:
Если силовые магнитные линии выходят из среды с большой магнитной проницаемостью 1а (ферромагнитное тело) в среду с малой проницаемостью 2а, то т.е. в среде с малой проницаемостью силовые магнитные линии практически перпендикулярны к границе.
Соответствие между магнитным полем и электростатическимМежду картиной электростатического поля и картиной магнитного поля в областях, не занятых постоянным током, существует соответствие двух типов:
1
.
Когда одинаково распределение зарядов
в электростатическом поле и линейных
токов в магнитном поле. Тогда картина
магнитного поля подобна картине
электростатического поля только силовым
линиям первого соответствуют
эквипотенциальные линии второго и
наоборот. Для примера покажем графическую
картину электростатического поля
заряженной оси (рис.12.9,а) и картину
магнитного поля прямолинейного проводника
с током (рис.12.9,б).
2. Когда одинаковы формы граничных эквипотенциальных поверхностей в этих полях. В этом случае имеет место полное соответствие картин (силовым линиям соответствуют силовые, эквипотенциальным — эквипотенциальные).
Графическое построение картины магнитного поля и определение по ней магнитного сопротивления
В
се
известные методы расчета и исследования
магнитных полей разделяются на три
группы: аналитические, графические и
экспериментальные. Аналитические методы
(интегрирование уравнений Пуассона и
Лапласа, метод зеркальных изображений
и др.) в силу трудностей математического
характера позволяют решать очень
небольшой круг задач и когда их применить
не удается, часто прибегают к построению
графической картины магнитного поля
или к экспериментальному его исследованию
на модели. Построение графической
картины магнитного поля применяется к
двухмерным безвихревым полям. Рассмотрим
его на конкретном примере машины
постоянного тока. Исследуем магнитное
поле в воздушном зазоре такой машины.
Пусть магнитный поток замыкается с
полюса на якорь (рис.12.10). Так как магнитная
проницаемость стали (полюс и якорь)
намного больше проницаемости воздуха,
то магнитные силовые линии будут
перпендикулярны к поверхностям полюса
и якоря, которые будут эквипотенциальными
поверхностями. Если активная (находящаяся
в магнитном поле) длина якоря l достаточно большая, то поле можно считать
плоско-параллельным, т.е. одинаковым во
всех сечениях, перпендикулярных оси
якоря. Построение семейства силовых и
эквипотенциальных линий (графической
картины) производится примерно, «на
глаз» с соблюдением следующих правил:
силовые линии должны быть перпендикулярны
к поверхности полюса и якоря и так
расположены друг по отношению к другу,
чтобы после проведения эквипотенциальных
линий, перпендикулярных силовым,
образовались бы криволинейные ячейки,
для каждой из которых отношение средней
ширины b к
средней высоте a было бы одинаковым.
При первом
построении картины поля может и не
удастся добиться, чтобы для любой ячейки
было но достаточно предпринять несколько
попыток и картина поля будет построена
вполне удовлетворительно, что и показано
на рис.12.10. На такой картине выделяют
силовые трубки – часть
поля, заключенную между двумя смежными
силовыми линиями. Поперечное сечение
силовой трубки в некоторой ячейке
шириной bк будет lbк. Если картина
магнитного поля построена, то с её
помощью можно рассчитать магнитную
проводимость (или обратную величину –
магнитное сопротивление) воздушного
зазора между полюсом и якорем. Для этого
нужно по картине поля посчитать число
силовых трубок (m)
и число ячеек в силовой трубке (n).
Для примера, показанного на рис.12.10 m=24
(слева от центральной линии поле будет
точно таким же ), n=3.
Рассмотрим одну из силовых трубок,
например, показанную волнистой линией
на рис.12.10. Пусть по этой трубке замыкается
магнитный поток Ф.
Определим вдоль этой силовой трубки
магнитное напряжение между полюсом и
якорем
где Нк – среднее значение напряженности поля в к-ой ячейке; ак – высота к-ой ячейки.
Значения Нк могут быть определены через Ф: и т.д. Тогда магнитное напряжение поскольку для всех ячеек а число ячеек равно n. Из последнего равенства следует Отсюда вытекает, что при соблюдении указанных выше правил построения картины поля по каждой силовой трубке будет замыкаться одинаковый магнитный поток. Следовательно, весь магнитный поток, замыкающийся с полюса на якорь, будет Тогда магнитная проводимость между полюсом и якорем будет На практике рекомендуют брать
Следует иметь в виду, что
приведенные правила построения картины
магнитного поля справедливы только для
областей, не занятых электрическим
током. В областях же, занятых током, их
применять нельзя, поскольку там теряет
смысл понятие скалярного магнитного
потенциала. Если картину магнитного
поля построить затруднительно, то её
можно снять экспериментальным путём.
Существует несколько методов
экспериментального снятия картины
магнитного поля (встряхивание опилок
железа, рамка с гальванометром и т.д.),
но чаще всего это делают путём
моделирования магнитного поля полем в
проводящей среде, используя аналогию
между полями. Таким образом, аналогия
имеет место между тремя полями:
электростатическим (в областях, не
занятых зарядом), полем в проводящей
среде (в областях, не занятых источниками
ЭДС) и магнитным (в областях, не занятых
током). Суть её состоит в том, все три
поля описываются уравнением Лапласа,
в них имеются сходные величины и
выполняются одинаковые граничные
условия для сходных величин (см. табл.).
Поле | Описывающее уравнение | Сходные величины | Граничные условия | ||||
Электростатическое | | Е | D | a | Е1t= Е2t; D1n= D2n | ||
В проводящей среде | | Е | | | I | Е1t= Е2t; 1n=2n | |
Магнитное | м | Н | B | a | Ф | H1t=H2t; B1n=B2n |
Исходя из этой аналогии можно
сделать заключение, что рассмотренное
построение графической картины магнитного
поля применимо и к электростатическому
полю и к полю в проводящей среде. На
основании этой аналогии можно для поля
в проводящей среде определять по его
графической картине проводимость среды
между электродами: а для электростатического поля –
ёмкость между электродами:
Для моделирования магнитного поля в воздушном зазоре машины постоянного тока из листа металла изготавливают модель исследуемого участка поля. Эта модель изображена на рис.12.11. Так как магнитодвижущая сила (МДС) обмотки полюса распределена по его высоте, то и подвод тока осуществляется от нескольких проводников. Токи в проводниках могут регулироваться, что позволит задавать закон изменения МДС по высоте полюса. С помощью щупа и индикатора можно построить картину эквипотенциальных линий поля в проводящей среде, которым будут соответствовать силовые линии магнитного поля. Эквипотенциальные линии магнитного поля можно построить по приведенным выше правилам.
Е
сли
необходимо определить только величину
магнитной проводимости воздушного
зазора между полюсом и якорем, то это
осуществляется ещё легче следующим
образом. Из какого-либо металла
изготавливается модель полюса и якоря
(рис.11.12). Они помещаются в среду (раствор
электролита), удельная проводимость которой намного меньше проводимости
металла и подводится питание от источника
с известным напряжением U.
Если измерить ток между электродами,
то электрическая проводимость между
ними будет а проводимость аналогичной магнитной
цепи определится из соотношения
Магнитное поле прямолинейного проводника с током, расположенного вблизи границы раздела двух различных магнитных сред
Д
опустим,
что в среде с магнитной проницаемостью 1а на
высоте h параллельно границе, отделяющей её
от другой среды с проницаемостью 2а,
расположен прямолинейный проводник с
током I1 (рис.11.13,а). Требуется рассчитать
напряженность поля во всех точках обеих
сред. Решение задачи производится
методом зеркальных изображений для
чего в расчет кроме заданного тока I1 вводятся ещё два фиктивных тока I2 и I3 поскольку должны быть
выполнены два граничных условия
(H1t=H2t; B1n=B2n). Проводник с током I2 помещается в точке зеркального
изображения по отношению к проводнику
с током I1 (рис.12.13,б), а
проводник с током I3 – там же, где и проводник с I1 (рис.12.13,в). Величины
и направления неизвестных пока токов I2 и I3 выбираются именно такими, чтобы
выполнялись граничные условия.
Поле в верхнем полупространстве
определяется двумя токами – заданным I1 и
фиктивным I2,
причем и верхнее и нижнее полупространство
при этом заполнено средой с 1а.
Поле в любой точке нижнего полупространства
определяется током I3,
а верхнее и нижнее полупространство
имеет проницаемость 2а.
Для определения неизвестных токов I2 и I3 составим уравнения,
полагая, что эти токи имеют такое же
направление, как и I1.
На границе раздела сред возьмём
произвольную точку, положение которой
будем определять расстоянием r. Если эту точку считать принадлежащей
первой среде, то тангенциальная
составляющая напряженности поля в ней
будет Если эту же точку считать принадлежащей
второй среде, то тангенциальная
составляющая напряженности поля в ней
будет Так как H1t=H2t,
то должно быть I1—I2=I3.
Для составления второго уравнения
используем условие, что B1n=B2n.
В выбранной точке откуда получаем второе уравнение 1а(I1+I2)= 2аI3.
Решая совместно эти уравнения,
получаем Из этих формул видно, что направление I3 всегда
совпадает с направлением I1,
а направление I2 совпадает с направлением I1,
если 2а>1а,
в противном случае направления I2 и I1 противоположны.
Понятие о расчете индуктивности и взаимной индуктивности
Н
апомним,
что индуктивностью называется коэффициент
пропорциональности между потокосцеплением
и током, его создающим Поэтому для расчета индуктивности нужно
определять потокосцепление или магнитный
поток, что можно сделать, используя
теорию магнитного поля. Приведем пример.
Выведем формулу индуктивности тороидальной
катушки (рис.12.14). Пусть катушка имеет w витков, которые распределены равномерно
по всей длине сердечника
прямоугольной формы в поперечном
сечении. Внутренний радиус сердечника r1,
наружный — r2,
толщина h и магнитная
проницаемость — а.
Тогда в любой точке сердечника,
отстоящей на расстояние r от центра катушки, в
соответствии с законом полного тока в
интегральной форме можно записать
Тогда
Магнитный поток,
замыкающийся по сердечнику причем ds=hdr.
Тогда
Индуктивность катушки
В
заимная
индуктивность М представляет собой коэффициент
пропорциональности между потокосцеплением
одного устройства (катушки) и током,
создающим это потокосцепление, но
протекающим по другому устройству
(катушке):
Выведем формулу взаимной индуктивности
между прямолинейным проводом и рамкой,
содержащей w витков и лежащей в
плоскости провода (рис.12.15). Предположим,
что по проводу замыкается ток I.
Тогда в точке, отстоящей
на расстояние r от провода, напряженность магнитного
поля как мы выясняли ранее будет а магнитная индукция Магнитный поток, пронизывающий рамку,
будет Тогда взаимная индуктивность
Аналогично могут быть выведены формулы индуктивности или взаимной индуктивности других устройств.
Теория переменного электромагнитного поля
Переменным электромагнитным
полем называется совокупность изменяющихся
во времени и взаимосвязанных электрических
и магнитных полей. Переменное
электромагнитное поле является одним
из видов материи и обладает свойствами,
присущими любой материи – энергией,
массой и количеством движения. Правда
оно является очень специфическим видом
материи, например, его масса очень мала.
Все процессы, происходящие в переменном электромагнитном поле описываются четырьмя уравнениями, получившими название уравнений Максвелла, поскольку именно он впервые сформулировал их в своём знаменитом «Трактате об электричестве и магнетизме» в 1873 г.
Первое уравнение Максвелла выглядит так: где — напряженность магнитного поля в
рассматриваемой точке, — плотность тока проводимости в этой же
точке, — плотность тока электрического смещения.
Последняя измеряется в [].
Максвелл предложил назвать током
изменяющиеся во времени электрические
поля, Чтобы отличить этот ток от других
видов тока (ток проводимости, ток переноса
и т.д.) назвал его током электрического
смещения. Ток электрического смещения
является весьма специфическим. Ему
присуще свойство распространяться по
диэлектрикам также, как току проводимости
– по проводникам. Существенное отличие
тока электрического смещения от других
видов тока заключается в том, что он не
вызывает тепловых потерь. С током
электрического смещения нам приходилось
уже встречаться неоднократно. Так ток,
протекающий по конденсатору (он имеет
место только при изменении напряжения
на нем), является током электрического
смещения. Введение в основные уравнения
переменного электромагнитного поля
тока электрического смещения является
заслугой Максвелла.
Объединяет все виды тока то, что каждый из них создает магнитное поле.
В хорошо проводящих средах токи проводимости значительно превышают токи смещения и последними допустимо пренебрегать. В диэлектрике с малыми потерями наоборот можно пренебрегать токами проводимости. В полупроводящих средах указанные токи сравнимы.
Физический смысл первого уравнения
Максвелла состоит в том, что вокруг
любой линии тока (то ли
проводимости, то ли
смещения) возникает вихрь (ротор)
магнитного поля. Оно указывает на то,
что электромагнитное поле находится в
непрерывном движении – любое изменение
во времени приводит к изменению в
пространстве.
Первое уравнение Максвелла представляет дифформу закона полного тока с учетом тока электрического смещения.
Второе
уравнение Максвелла представляет
собой дифформу закона электромагнитной
индукции, согласно которому в любом
витке наводится ЭДС при изменении
сцепленного с ним магнитного потока В магнитном поле с индукцией В поток
через поверхность, ограниченную контуром
витка, Если напряженность индуцированного
поля то наведенная в контуре ЭДС будет Тогда В последнем выражении стоит частная
производная по t в
связи с тем, что ЭДС может возникать ещё
и за счет движения или деформации витка.
Согласно теореме Стокса Тогда Равенство интегралов возможно только
при равенстве подинтегральных функций,
т.е. Это и есть второе уравнение Максвелла.
Физический смысл его состоит в том, что
вокруг любой магнитной линии возникает
вихрь (ротор) электрического поля
(рис. 12.16), если имеется Второе уравнение Максвелла также
свидетельствует о том, что переменное
электромагнитное поле находится в
непрерывном движении. В этом поле
существует два вида силовых линий
электрического поля: линии, которые
начинаются на положительно заряженных
телах и заканчиваются на отрицательно
заряженных телах (линии «кулонова»
поля) и замкнутые сами на себя силовые
линии (линии вихревого поля), охватывающие
линии магнитного поля. Второе уравнение
Максвелла описывает вихревое электрическое
поле.
Третьим уравнением Максвелла является принцип непрерывности магнитного потока: — силовые магнитные линии всегда замкнуты сами на себя.
Четвертое уравнение Максвелла описывает «кулоново» электрическое поле: Оно представляет собой теорему Гаусса в дифформе.
Уравнения Максвелла являются
дифференциальными уравнениями и при
их решении появляются постоянные
интегрирования, которые определяются
по начальным (значения векторов Е и Н во всех точках объёма, в котором
исследуется поле, при t=0)
и граничным условиям. На
границе раздела двух сред значения а, а,
изменяются скачком и имеет место разрыв
непрерывности векторов, характеризующих
поле. Причем граничные условия, полученные
для неизменных во времени полей сохраняют
свою силу и для мгновенных значений
векторов переменного электромагнитного
поля.
Если векторы Е и Н во
времени изменяются по синусоидальному
закону, то можно воспользоваться
комплексным методом и записать уравнения
Максвелла в несколько иной форме. Пусть
в некоторой точке поля где Em и Hm – амплитуды напряженностей
электрического и магнитного полей; Е и H -их начальные фазы. Тогда где — комплексные амплитуды напряженностей Е и Н,
—
комплексы их действующих значений.
Нужно однако учесть, что напряженности Е и Н являются еще и векторами,
т. е. они определенным образом ориентированы
в пространстве. Чтобы подчеркнуть этот
факт будем их обозначать так: В первое уравнение Максвелла подставим
вместо и соответственно и учтём, что и поскольку от t не
зависит. Тогда получим или Это и есть первое уравнение Максвелла
в комплексной форме записи.
Аналогично для второго уравнения Максвелла имеем и или Так выглядит второе уравнение Максвелла в комплексной форме. Аналогично получаются выражения для третьего и четвертого уравнений, имеющие вид: и Преимуществом комплексной формы основных уравнений переменного электромагнитного поля является то, что из них исключено время.
Теорема Умова-Пойнтинга для мгновенных значений Кроме уравнений Максвелла в
теории электромагнитного поля большое
значение имеет теорема Умова-Пойнтинга,
которая выражает закон сохранения
энергии применительно к этому полю. Она
вытекает из первых двух уравнений
Максвелла, но имеет самостоятельное
значение. ,
где dV –
элементарный объём, во всех точках
которого и неизменны. Тогда Из математики известно, что Векторное произведение обозначается как и называется вектором Пойнтинга. Его
размерность [S]=[E][H]=
Вектор S направлен в сторону поступательного
движения буравчика при вращении его по
кратчайшему пути от к
(рис.12.17),
а его величина равна площади параллелограмма,
построенного на векторах и
.
С
учетом сказанного можно записать,
принимая во внимание, что
: или Это соотношение можно распространить
на объём конечных размеров, проинтегрировав
его по V:
Объёмный интеграл от дивергенции
любого вектора может быть преобразован
в поверхностный по теореме Остроградского
–Гаусса: Качественно это преобразование можно
пояснить так. Разобъём объём V на большое число элементарных объёмов
V (рис.12.18) и опустив обозначение
предела, запишем для дивергенции вектора
Пойнтинга где — элемент поверхности объёма Тогда При суммировании (первая сумма) потоков
вектора S через
поверхности элементарных объёмов
(вторая сумма) составляющие через
поверхности, являющиеся смежными для
соседних элементарных объёмов, взаимно
уничтожаются (см. рис.12.18) и остается
сумма потоков только по периферийной
поверхности, представляющая собой
Таким образом, теорема Умова-Пойнтинга для мгновенных значений имеет вид Поясним смысл знака минус, стоящего перед потоком вектора Пойнтинга. Вектор Пойнтинга всегда направлен внутрь рассматриваемого объёма (рис.12.19), а вектор элементарной поверхности в любой точке направлен в сторону внешней по отношению к рассматриваемому объёму нормали, т.е. угол между векторами S и ds всегда тупой, произведение а
Т
еорема
Умова-Пойнтинга может толковаться как
уравнение энергетического баланса в
электромагнитном поле. В левой части
его стоит вся мощность, поступающая в
рассматриваемый объём в виде потока
вектора Пойнтинга, а правая говорит о
том на что она расходуется — на тепловые
потери в этом объёме ()
и на изменение запаса энергий электрического
()
и магнитного ()
полей.
Т
еорема
Умова-Пойнтинга выведена в предположении,
что внутри рассматриваемого объёма нет
источников энергии, отсутствует
отраженная волна и среда является
однородной и изотропной.
Если поле является неизменным во времени, то и уравнение выглядит так
Используя теорему Умова-Пойнтинга можно показать, что электрическая энергия от источника к потребителю передается по диэлектрику, а не проводам, их соединяющим. Проиллюстрируем это на примере коаксиального кабеля, по жиле и оболочке которого протекает постоянный ток величиной I при напряжении U между его электродами (передаваемая по кабелю мощность P=UI) (рис.12.20). В точке, отстоящей на расстояние r от центра кабеля, напряженность магнитного поля в соответствии с законом полного тока будет напряженность электрического поля и вектор Пойнтинга (с учетом перпендикулярности векторов Е и Н) — Поток вектора Пойнтинга через кольцо диэлектрика с радиусами r1 и r2 будет т.е. он полностью совпадает с передаваемой мощностью.
Теорема Умова-Пойнтинга в комплексной форме записи
Подобно тому как при синусоидальном
токе для вычисления комплексной мощности
необходимо перемножить U и так и в теории поля при синусоидально
изменяющихся величинах вводится понятие
комплексного вектора Пойнтинга Тогда Но а тогда и Поэтому Первое слагаемое этого выражения
представляет собой активную мощность Р, а мнимая часть второго – реактивную Q. В связи с этим
теорему Умова-Пойнтинга можно записать
ещё и так В таком виде она используется для
определения активного и внутреннего
реактивного сопротивления проводников
на переменном токе (с учетом поверхностного
эффекта). Действительно, подсчитав поток
вектора через боковую поверхность проводника
длиной 1м, получим откуда
Переменное электромагнитное поле в проводящей среде
Распространение электромагнитной волны в проводящей среде, обладающей удельной проводимостью и магнитной проницаемостью а, имеет ряд особенностей, которые и являются предметом нашего изучения.
Если переменное электромагнитное
поле во времени изменяется по закону
синуса, то для его описания применима
комплексная форма записи уравнений
Максвелла: и В хорошо проводящих средах даже при
весьма высоких частотах имеет место
соотношение , поэтому с высокой степенью точности
в первом уравнении можно пренебречь
слагаемым
,
т. е. уравнения примут вид: Произведем их совместное решение. С
этой целью возьмём ротор от первого
уравнения и подставим в него значение из второго уравнения. Тогда получим Учтём, что причем (принцип непрерывности магнитного
потока). Тогда Это дифуравнение относительно
.
В общем случае, когда зависит от трех или даже от двух координат,
его решение является весьма сложной
задачей. Поэтому ограничимся рассмотрением
его решения для частного случая плоской
электромагнитной волны. Под плоской
электромагнитной волной условились
понимать такую, для которой характерно,
что во всех точках плоскости (например, xoy), перпендикулярной
направлению распространения волны (оси z), напряженность
электрического поля в данный момент времени одинакова
(по величине и направлению) и лежит в
этой же плоскости; точно так же
напряженность магнитного поля во всех точках плоскости xoy так же одинакова и лежит в этой же
плоскости. Иллюстрация к приведенному
определению плоской волна показана на
рис.
12.21, где для одного и того же момента
времени изображены и в двух параллельных плоскостях,
перпендикулярных оси z.
В
о
всех точках первой плоскости и имеют одинаковые значения, но отличные
от их же значений во второй плоскости,
где они также одинаковы. В силу самого
определения плоской волны имеет место: В плоской волне и являются функцией только одной координаты
(в нашем случае z).
Повернем оси координат так, чтобы ось y совпадала с
.
Тогда Подставим это значение в уравнение
,
раскрыв выражение лапласиана Учтем, что и будем иметь В последнем выражении записана не
частная, а полная производная по той
причине, что является функцией только одной переменной z. Полученное
выражение представляет собой линейное
дифуравнение второго порядка, решением
которого является выражение где С1 и С2 – постоянные интегрирования, определяемые
из граничных условий и имеющие свои
значения для каждой конкретной задачи,
а р – корень характеристического
уравнения т. е.
.
Если то Так как то р можно представить еще и так где
Напряженность электрического поля можно определить из уравнения Раскроем ротор с учетом того, что , а Нy=H следовательно, Последнее выражение показывает, что напряженность в плоской волне при выбранном расположении осей координат направлена вдоль оси x (). Таким образом, в плоской электромагнитной волне между векторами и есть пространственный сдвиг в 90о.
Величину принято называть волновым сопротивлением — оно измеряется в Ом и зависит от свойств среды (, а) и частоты .
Слагаемые, входящие в решение
для и представляют собой падающую и отраженную
волну: где Zc может быть трактовано как Так как Zc является комплексным числом с
аргументом 45о, то сдвиг по времени
между для одной и той же точки поля составляет
45о.
Распространение плоской электромагнитной волны в однородном проводящем полупространстве
П
редположим,
что в однородной проводящей среде,
простирающейся теоретически в
бесконечность, распространяется плоская
электромагнитная волна (рис.12.22). Так
как среда простирается в бесконечность
и падающая волна в толще среды не
встречает границы, которая «возмутила»
бы её распространение, то отраженной
волны в данном случае не возникнет. При
наличии только падающей волны имеем С1 найдём из граничного
условия. Пусть на поверхности проводящей
среды (z=0)
известна напряжённость магнитного поля
и она равна
.
Тогда и В свою очередь Запишем выражения для
мгновенных значений Н и Е:
Из этих выражений следует, что
по мере проникновения волны в проводящую
среду, т.е. при увеличении z,
из-за наличия сомножителя e-kz по экспоненциальному закону
уменьшаются амплитуды напряжённостей Е и Н. Это отражено на рис.12.23,
где изображена зависимость Н(z) при и при Интенсивность затухания амплитуд Е и Н определяется величиной k, однако
на практике для характеристики этой
интенсивности вводится понятие глубины
проникновения волны ,
под которой понимают расстояние вдоль
направления распространения волны (оси z), на котором амплитуды
падающих волн Е и Н уменьшаются
в е=2.7183 раз. Уравнением для определения
является выражение откуда Глубина проникновения зависит от
свойств среды (, а) и от
частоты. Приведём пример. Пусть f=5кГц, =107См/м, r=103.
Тогда т.е. на ничтожном расстоянии в 0.07мм амплитуды Е и Н уменьшаются
в е раз.
Для характеристики волны,
распространяющейся по проводящей среде,
используется понятие длины волны ,
под которой понимают расстояние вдоль
направления её распространения (вдоль z), на котором фаза
колебания изменяется на 2. определяется из
уравнения k=2,
откуда Для рассмотренного выше примера
Иногда для волны пользуются понятием фазовой скорости, под которой понимают скорость перемещения неизменного фазового состояния. Фаза колебаний поэтому Для рассмотренного примера
Магнитный поверхностный эффект
П
усть
вдоль плоского листа (h>>2a),
имеющего большую протяженность, проходит
переменный магнитный поток частотой .
Так как h>>2a,
то искажающим влиянием краёв шины
(листа) можно пренебречь и считать, что
в лист с двух сторон проникает плоская
электромагнитная волна. Расположим оси
декартовой системы координат так, чтобы
напряженность магнитного поля была
расположена вдоль оси y ()
(рис.12.24). Это позволит воспользоваться
формулами, выведенными в предыдущем
параграфе, или записать: При определении С1 и С2 учтём, что в силу симметрии напряженность
магнитного поля на левой и на правой
поверхности листа одинакова. Обозначим
её На и будем полагать известной (в дальнейшем
её определим). Тогда Н=На и при z=-a, и при z=a, или Совместное решение этих уравнений даёт Следовательно, в произвольной точке
шины где При z=a вектор направлен вверх (вдоль –x),
а при z=-a – вниз (вдоль
+x).
Ток, возникающий в шине при прохождении
по ней переменного магнитного потока,
называется вихревым током и его плотность Магнитная индукция в произвольной точке
шины Среднее значение индукции Если считать Вср известным и равным то напряженность магнитного поля на
поверхности листа будет Отношение называется комплексной магнитной
проницаемостью и обозначается При больших значениях pa shpachpa,
поэтому thpa1
и тогда На рис.12.25 приведены графики зависимости
модулей напряженностей Е и Н от
координаты z E(z) и Н(z).
Н
апряженность
магнитного поля в средине шины (z=0)
имеет значение и она может быть намного меньше На.
Кривая плотности вихревых
токов (z) будет повторять график E(z),
поскольку =Е.
Явление неравномерного распределения поля по сечению шины, вызванное затуханием электромагнитной волны, называется поверхностным эффектом. Если вдоль шины направлен магнитный поток, то поверхностный эффект называется магнитным, а если по шине протекает переменный ток, то – электрическим. Их физическая природа одинакова и обусловлена проникновением плоской электромагнитной волны внутрь шины и её затуханием по мере проникновения.
Электрический поверхностный эффект
П
усть
вдоль плоской шины протекает переменный
ток. Его направление и расположение
осей декартовой системы координат
изображено на рис. 12.26. По закону полного
тока в интегральной форме определим
напряженность магнитного поля на
поверхности шины На. Так
как и в данной задаче h>>2a, то при подсчете пренебрежем составляющей циркуляции Н вдоль горизонтальных сторон шины.
Тогда При составлении уравнений для определения
постоянных интегрирования С1 и С2 учтем, что слева от
центра шины Н ориентирована по оси y, а
справа – вдоль её отрицательного
направления, т.е. при z=-a а при z=a Подставляя эти значения в выражение получим Совместное решение двух последних
уравнений даёт: Подставляя значения С1 и С2 в формулу для Н,
будем иметь:
Н
апряженность
электрического поля в соответствии с
изложенным выше направлена по оси х ()
и имеет значение Плотность тока в любой точке шины Минимальное значение будет в центре шины и оно равно Качественно представим графики изменения
модулей Н, Е (или )
от координаты z (рис. 12.27).
Если сравнить кривые в данном случае
с кривыми для магнитного поверхностного
эффекта, то видно, что они как бы поменялись
местами.
Чем толще шина, чем больше , и а, тем сильнее проявляется поверхностный эффект, т.е. тем более неравномерным становится распределение тока по сечению шины и если частота весьма велика, то может оказаться, что ток будет протекать по очень тонкому поверхностному слою шины. На этом основана высокочастотная поверхностная закалка металлических деталей, когда деталь на короткое время помещается в высокочастотное поле. Энергия проникающей электромагнитной волны поглощается в тонком поверхностном слое и благодаря тому, что деталь сейчас же охлаждается, поглощенная энергия накаливает лишь поверхностный слой, не успевая распространиться на всю деталь.
Полученные соотношения позволяют вывести формулу комплексного сопротивления шины длиной 1м с учетом поверхностного эффекта.
ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Рибалко М.П., Есауленко В.О.,
Костенко В.І. Теоретичні основи
електротехніки: Лінійні електричні
кола: Підручник. – Донецьк: Новий світ,
2003. – 513 с.
2. Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил А.В., Страхов С.В. Основы теории цепей. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 528 с.
3. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. – М.:Гардарика, 1999. – 637 с.
4. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле. – М.: Высшая школа, 1984. – 231 с.
5. Атабеков Г.И., Тимофеев А.В., Хухриков С.С. Теоретические основы электротехники: В 2 ч. – М.: Энергия, 1978. – Ч.1. Линейные электрические цепи.–592 с.
6. Рибалко М.П., Есауленко В.О. Нелiнiйнi електричнi та магнiтнi кола в усталених i перехiдних режимах: Навч. посiбник. – К.: IСДО, 1994. – 196 с.
7. Нейман Л.Р., Демирчан К.С.
Теоретические основы электротехники. В 2 томах. — Л.: Энергоиздат. 1981. – Т.1 –
536 с.; Т.2 – 416 с.
Как создаются магнитные поля — видео и расшифровка урока
Проводники с током
Эксперимент XIX века показал, что провод, по которому течет электрический ток, является магнитом. Поскольку все электроны движутся по проводу в одном направлении, вокруг провода существует четко определенное магнитное поле. Сила магнитного поля пропорциональна силе тока, протекающего по проводу. Другими словами, увеличение тока увеличивает силу магнитного поля.Итак, если провода такие магнитные, почему мы не видим, как скрепки и вилки летают по комнате и прилипают к ним? Причина в том, что магнитное поле просто не очень сильное при обычных, повседневных уровнях электрического тока. Нам нужно проделать еще немного работы, чтобы превратить провод в полезный магнит.
Электромагниты
Электромагнит — это магнит, использующий электрический ток для создания магнитного поля.Это отличается от постоянных магнитов, таких как те, что установлены на вашем холодильнике, которые полагаются на магнитные свойства атомов в материале для создания магнитного поля. На данный момент наш электромагнит представляет собой просто провод, но магнитное поле слишком слабое, чтобы сделать что-то практическое. Однако если мы согнем проволоку вокруг и вокруг, чтобы сформировать катушку, магнитные поля петель будут концентрироваться в центре. Чтобы еще больше усилить этот эффект, мы можем намотать несколько слоев проволоки друг на друга. Использование большего количества витков провода увеличивает силу магнитного поля.Это определенное улучшение по сравнению с нашим единственным проводом, но оно все еще недостаточно прочно, чтобы быть по-настоящему практичным.
Мы можем сделать наш электромагнит в несколько тысяч раз сильнее, поместив в центр катушки сердечник из ферромагнитного материала, например железа. Ферромагнитные материалы содержат нечто, называемое магнитными доменами, которые представляют собой области материала, действующие как крошечные магниты. Обычно домены расположены случайным образом, и материал не проявляет никакого магнетизма.Однако при воздействии магнитного поля, такого как созданное нашей катушкой провода, домены начинают выравниваться, и отдельные магнитные поля объединяются в большее поле.
Степень выравнивания доменов зависит от силы магнитного поля, генерируемого катушкой, которое, как мы узнали ранее, может контролироваться величиной тока, протекающего по проводу. Не менее важно и то, что при отключении тока магнитные домены возвращаются к своей случайной конфигурации, и электромагнит теряет почти весь свой магнетизм.Возможность управлять очень мощным магнитом с помощью переключателя имеет множество практических применений.
Электромагниты в действии
Мы используем электромагниты каждый день, даже не осознавая этого. Их можно буквально найти в тысячах различных устройств, потому что они очень полезны. Например, их можно использовать, чтобы поднимать сталь на свалке, звонить в школьный звонок на перемену и даже поднимать в воздух высокоскоростные поезда. Знаете ли вы, что в динамиках используются электромагниты? В динамиках используется тот факт, что силой электромагнита можно управлять, регулируя электрический ток.
Динамик имеет постоянный магнит, закрепленный на раме, и небольшой электромагнит, прикрепленный к гибкому конусу. Источник звука, такой как радиоприемник, посылает переменный ток на электромагнит, который меняет, насколько сильно электромагнит реагирует на магнитное поле постоянного магнита. Это контролирует движение конуса, которое производит амплитуду и частоту звука, который мы слышим.Как видите, электромагниты дают нам способ преобразовывать электрический ток в полезную механическую силу, которую можно использовать во всех видах приложений.
Краткий обзор урока
Все магнитные поля создаются движущимися заряженными частицами. Стационарные заряженные частицы не создают магнитных полей. Электромагнит представляет собой магнит, который использует электрический ток для создания магнитного поля. Простейший электромагнит — это просто провод, по которому течет ток, который создает вокруг провода магнитное поле.При сворачивании проволоки в катушку магнитное поле становится сильнее в центре катушки. Добавление ферромагнитного сердечника в центр катушки резко увеличивает силу магнитного поля.
Ферромагнитные материалы содержат случайно сконфигурированные магнитные домены, которые выравниваются под действием магнитного поля. Выравнивание этих доменов объединяет их индивидуальные магнитные поля в одно сильное поле. Изменение тока в проводе вызывает различную степень выравнивания и, следовательно, общую силу электромагнита.Возможность электрического управления магнетизмом электромагнита нашла множество практических применений.
Результаты обучения
После просмотра этого урока вы сможете сделать следующее:
- Объяснить, как магнитные поля создаются с помощью электричества
- Определение электромагнита
- Опишите, как добавление ферромагнитного материала к проводу повысит напряженность магнитного поля
- Приведите примеры повседневного применения электромагнитов
Магнитное поле: определение и создание
Как создаются магнитные поля?
Существует два основных способа создания магнитных полей: путем нахождения ферромагнитных материалов и путем перемещения зарядов.
Ферромагнитные материалы, такие как железо и кобальт, обладают очень сильными магнитными свойствами. Вы можете буквально взять кусок железа, который вы выкопали из земли, и обнаружить, что он действует точно так же, как стержневой магнит. А стержневые магниты, как и все магниты, создают магнитные поля. Даже если кусок железа не ведет себя как стержневой магнит, все, что вам нужно сделать, это поместить его рядом с большим магнитом, и он станет сильнее.
Второй способ создания магнитного поля — перемещение зарядов.Когда заряды движутся, они создают магнитные поля. Например, провод, по которому проходит электричество, будет иметь вокруг себя магнитное поле.
Мы можем использовать эту идею, чтобы сделать нечто, называемое электромагнитом . Электромагнит представляет собой катушку с проволокой, по которой проходит электрический ток.
Магнитное поле, создаваемое спиральным проводом, выглядит точно так же (и имеет ту же форму), что и электрическое поле стержневого магнита.Но с электромагнитом вы можете включать и выключать его, просто щелкнув выключателем. Вы также можете изменить силу, изменяя ток, протекающий через цепь. Эта способность управлять магнитами очень полезна. Он используется в двигателях и генераторах, динамиках и наушниках, аппаратах МРТ и ускорителях частиц.
Краткий обзор урока
Магнитные поля — это области вокруг магнита, на которые действует сила магнетизма.Магнитные поля воздействуют на другие магниты, металлы с более слабыми магнитными свойствами и движущиеся заряды. Мы используем линии и стрелки для представления магнитных полей: линии, расположенные более плотно, представляют сильные поля.
Вы можете создавать магнитные поля, просто находя магнитные материалы в земле и перемещая их туда, куда вам нужно, или пропуская электричество по проводу: движущиеся заряды создают магнитные поля, а электрические провода содержат движущиеся заряды. Вы можете использовать этот принцип для создания электромагнитов , которые представляют собой магниты, которые можно включать и выключать с помощью переключателя или даже делать сильнее или слабее.Это делается путем пропускания электричества через катушку провода и работает, потому что электричеством можно управлять.
Что создает магнитное поле Земли?
Путешествие, чтобы увидеть северное или южное сияние, вошло в список почти каждого. Но большинству неизвестно, что эти прекрасные проявления света вызваны опасными космическими лучами, которые были отклонены магнитным полем нашей Земли.
Магнитные поля вокруг планет ведут себя так же, как стержневой магнит. Но при высоких температурах металлы теряют свои магнитные свойства. Итак, ясно, что горячее железное ядро Земли не создает магнитное поле вокруг нашей планеты.
Вместо этого магнитное поле Земли вызвано эффектом динамо.
Эффект работает так же, как динамо-фонарь на велосипеде. Магниты в динамо-машине начинают вращаться, когда велосипед крутится, создавая электрический ток.Затем электричество используется для включения света.
Этот процесс работает и в обратном порядке. Если у вас есть вращающийся электрический ток, он создаст магнитное поле.
На Земле течение жидкого металла во внешнем ядре планеты генерирует электрические токи. Вращение Земли вокруг своей оси заставляет эти электрические токи формировать магнитное поле, распространяющееся вокруг планеты.
Магнитное поле чрезвычайно важно для поддержания жизни на Земле. Без него мы подвергались бы воздействию большого количества солнечной радиации, и наша атмосфера могла бы свободно просачиваться в космос.
Вероятно, это то, что произошло с атмосферой на Марсе. Поскольку в ядре Марса нет жидкого металла, он не производит такого динамо-эффекта. Это оставило планету с очень слабым магнитным полем, что позволило солнечным ветрам разрушить ее атмосферу, сделав ее непригодной для жизни.
Земное магнитное поле, аналогичное магнитному полю стержневого магнита, наклоненного на 11 градусов от оси вращения Земли. Предоставлено: Dea/D’Arco Editor/Getty Images
Получайте обновления научных статей прямо на свой почтовый ящик.
У Королевского института Австралии есть образовательный ресурс, основанный на этой статье. Вы можете получить к нему доступ здесь.
Вишну Варма Р. Веджаян
Вишну Варма Р. Веджаян — студент-физик Лондонского университета королевы Марии, интересуется научными работами и исследованиями в области физики. Стажировался в «Космосе» в начале 2017 года.
Читайте научные факты, а не художественную литературу…
Никогда еще не было более важного времени для объяснения фактов, лелеять знания, основанные на фактических данных, и демонстрировать последние научные, технологические и инженерные достижения. Cosmos издается Королевским институтом Австралии, благотворительной организацией, цель которой — соединить людей с миром науки. Финансовые взносы, большие или малые, помогают нам предоставлять доступ к достоверной научной информации в то время, когда мир больше всего в ней нуждается. Пожалуйста, поддержите нас, сделав пожертвование или купив подписку сегодня.
Что такое магнитное поле?
Все знают, какими забавными могут быть магниты. Кому из нас в детстве не нравилось смотреть, сможем ли мы склеить столовое серебро? А как насчет тех маленьких магнитных камней, которым мы могли придать любую форму, потому что они слипались? Что ж, магнетизм — это не просто бесконечный источник удовольствия или полезность для научных экспериментов; это также один из основных физических законов, на которых основана Вселенная.
Притяжение, известное как магнетизм, возникает, когда присутствует магнитное поле, представляющее собой силовое поле, создаваемое магнитным объектом или частицей. Он также может быть вызван изменяющимся электрическим полем и обнаруживается по силе, которую оно оказывает на другие магнитные материалы. Поэтому область изучения магнитов известна как электромагнетизм.
Определение:
Магнитные поля можно определить по-разному, в зависимости от контекста. Однако в общих чертах это невидимое поле, которое оказывает магнитное воздействие на вещества, чувствительные к магнетизму.Магниты также воздействуют друг на друга силами и крутящими моментами через создаваемые ими магнитные поля.
Они могут генерироваться в непосредственной близости от магнита, электрического тока или изменяющегося электрического поля. Они диполярны по своей природе, что означает, что у них есть как северный, так и южный магнитные полюса. Для измерения магнитных полей используется международная стандартная единица (СИ), а меньшие магнитные поля измеряются в гауссах (1 тесла = 10 000 гаусс).
Математически магнитное поле определяется силой, действующей на движущийся заряд. Измерение этой силы согласуется с законом силы Лоренца, который может быть выражен как F= qvB , где F — магнитная сила, q — заряд, v — скорость, а магнитное поле поле B . Это отношение представляет собой векторное произведение, где F перпендикулярно (->) ко всем другим значениям.
Линии поля:
Магнитные поля могут быть представлены непрерывными силовыми линиями (или магнитными потоками), которые исходят из северных магнитных полюсов и входят в южные полюса.Плотность линий указывает на величину поля: они более сконцентрированы у полюсов (где поле сильное) и разветвляются и ослабевают по мере удаления от полюсов.
Однородное магнитное поле изображается равноотстоящими параллельными прямыми линиями. Эти линии непрерывны, образуя замкнутые петли, идущие с севера на юг и снова зацикливаясь. Направление магнитного поля в любой точке параллельно направлению близлежащих силовых линий, а локальную плотность силовых линий можно сделать пропорциональной его напряженности.
Линии магнитного поля напоминают поток жидкости в том смысле, что они обтекаемые и непрерывные, и появляется больше (или меньше) линий в зависимости от того, насколько близко наблюдается поле. Линии поля полезны как представление магнитных полей, позволяя упростить многие законы магнетизма (и электромагнетизма) и выразить их в математических терминах.
Простой способ наблюдения за магнитным полем состоит в том, чтобы поместить железные опилки вокруг железного магнита. Расположение этих напильников будет тогда соответствовать силовым линиям, образуя полосы, которые соединяются на полюсах.Они также появляются во время полярных сияний, когда видимые полосы света совпадают с локальным направлением магнитного поля Земли.
История обучения:
Изучение магнитных полей началось в 1269 году, когда французский ученый Петрус Перегринус де Марикур нанес на карту магнитное поле сферического магнита с помощью железных игл. Места, где эти линии пересекались, он назвал «полюсами» (по отношению к полюсам Земли), которыми, как он утверждал, обладали все магниты.
В 16 веке английский физик и естествоиспытатель Уильям Гилберт из Колчестера повторил эксперимент Перегрина. В 1600 году он опубликовал свои открытия в договорах ( De Magnete ), в которых заявил, что Земля является магнитом. Его работа была неотъемлемой частью становления магнетизма как науки.
В 1750 году английский священник и философ Джон Мичелл заявил, что магнитные полюса притягиваются и отталкиваются друг от друга. Он заметил, что сила, с которой они это делают, обратно пропорциональна квадрату расстояния, иначе известному как закон обратных квадратов.
В 1785 году французский физик Шарль-Огюстен де Кулон экспериментально проверил магнитное поле Земли. За этим последовал французский математик и геометр 19 века Симеон Дени Пуассон, создавший первую модель магнитного поля, которую он представил в 1824 году.
К 19 веку дальнейшие открытия усовершенствовали и поставили под сомнение ранее существовавшие представления. Например, в 1819 году датский физик и химик Ганс Христиан Орстед обнаружил, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. В 1825 году Андре-Мари Ампер предложил модель магнетизма, в которой эта сила была вызвана постоянно текущими петлями тока, а не диполями магнитного заряда.
В 1831 году английский ученый Майкл Фарадей показал, что изменяющееся магнитное поле порождает огибающее электрическое поле. По сути, он открыл электромагнитную индукцию, которая характеризовалась законом индукции Фарадея (он же Закон Фарадея).
Клетка Фарадея на электростанции в Хаймбахе, Германия. Фото: Wikipedia Commons/Frank VincentzМежду 1861 и 1865 годами шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл опубликовал свои теории электричества и магнетизма, известные как уравнения Максвелла.Эти уравнения не только указали на взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, но и показали, что свет сам по себе является электромагнитной волной.
Область электродинамики получила дальнейшее развитие в конце 19-го и 20-го веков. Например, Альберт Эйнштейн (предложивший закон специальной теории относительности в 1905 г. ) показал, что электрические и магнитные поля являются частью одних и тех же явлений, рассматриваемых в разных системах отсчета. Появление квантовой механики также привело к развитию квантовой электродинамики (КЭД).
Примеры:
Классическим примером магнитного поля является поле, создаваемое железным магнитом. Как упоминалось ранее, магнитное поле можно проиллюстрировать, окружив его железными опилками, которые будут притягиваться к его силовым линиям и образовывать петлю вокруг полюсов.
Более крупные примеры магнитных полей включают магнитное поле Земли, которое напоминает поле, создаваемое простым стержневым магнитом. Считается, что это поле является результатом движения ядра Земли, которое разделено между твердым внутренним ядром и расплавленным внешним ядром, которое вращается в противоположном направлении от Земли.Это создает эффект динамо, который, как считается, приводит в действие магнитное поле Земли (также известное как магнитосфера).
Компьютерное моделирование поля Земли в период нормальной полярности между инверсиями. [1] Линии представляют собой линии магнитного поля, синие, когда поле направлено к центру, и желтые, когда от него. Авторы и права: NASA Такое поле называется дипольным, потому что оно имеет два полюса — северный и южный, расположенные на обоих концах магнита, — где напряженность поля максимальна.В средней точке между полюсами сила составляет половину ее полярного значения и распространяется на десятки тысяч километров в космос, образуя магнитосферу Земли.
Было показано, что у других небесных тел есть собственные магнитные поля. Сюда входят газовые и ледяные гиганты Солнечной системы – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Магнитное поле Юпитера в 14 раз мощнее, чем у Земли, что делает его самым сильным магнитным полем любого планетарного тела. Спутник Юпитера Ганимед также имеет магнитное поле и является единственным известным спутником в Солнечной системе, имеющим его.
Считается, что Марс когда-то имел магнитное поле, похожее на земное, что также было результатом динамо-эффекта в его недрах. Однако либо из-за массивного столкновения, либо из-за быстрого охлаждения внутри Марс потерял свое магнитное поле миллиарды лет назад. Считается, что именно из-за этого Марс потерял большую часть своей атмосферы и способность поддерживать жидкую воду на своей поверхности.
Когда дело доходит до сути, электромагнетизм является фундаментальной частью нашей Вселенной, наряду с ядерными силами и гравитацией.Понимание того, как это работает и где возникают магнитные поля, является не только ключом к пониманию того, как возникла Вселенная, но также может помочь нам когда-нибудь найти жизнь за пределами Земли.
Мы написали много статей о магнитном поле для Universe Today. Вот что такое магнитное поле Земли, Готово ли магнитное поле Земли к перевороту?, Как работают магниты?, Картирование магнитных полей Млечного Пути — Фарадеевское небо, Магнитные поля в спиральных галактиках — наконец-то объяснено?, Астрономия без телескопа — Космос Магнитные поля.
Если вам нужна дополнительная информация о магнитном поле Земли, ознакомьтесь с Руководством НАСА по исследованию Солнечной системы на Земле. А вот ссылка на Земную обсерваторию НАСА.
Мы также записали серию Astronomy Cast о планете Земля. Послушайте, Эпизод 51: Земля.
Источники:
Нравится:
Нравится Загрузка…
Магнитное поле Земли
Магнитосфера защищает поверхность Земли от заряженных частиц солнечного ветра и генерируется электрическими токами, расположенными во многих различных частях Земли.Она сжимается на дневной (Солнце) стороне силой прилетающих частиц и расширяется на ночной стороне. (Изображение не в масштабе.) Разница между магнитным севером и «истинным» севером. Магнитное поле Земли (и поверхностное магнитное поле ) примерно представляет собой магнитный диполь, с полюсом S магнитного поля вблизи географического северного полюса Земли (см. южный полюс (см. Магнитный южный полюс).Это делает компас пригодным для навигации. Причину поля можно объяснить теорией динамо. Магнитное поле простирается бесконечно, хотя и ослабевает по мере удаления от источника. Магнитное поле Земли, также называемое геомагнитным полем , которое эффективно простирается на несколько десятков тысяч километров в космос, образует магнитосферу Земли. Палеомагнитное исследование австралийского красного дацита и подушечного базальта показало, что возраст магнитного поля составляет не менее 3,5 миллиардов лет. [1] [2]
Важность
Моделирование взаимодействия между магнитным полем Земли и межпланетным магнитным полем. Земля в значительной степени защищена от солнечного ветра, потока энергичных заряженных частиц, исходящих от Солнца, своим магнитным полем, которое отклоняет большую часть заряженных частиц. Некоторые из заряженных частиц солнечного ветра захвачены в радиационном поясе Ван Аллена.Меньшее количество частиц солнечного ветра успевает пройти, как по линии передачи электромагнитной энергии, в верхние слои атмосферы и ионосферы Земли в авроральные зоны. Солнечный ветер можно наблюдать на Земле только тогда, когда он достаточно силен, чтобы вызвать такие явления, как полярное сияние и геомагнитные бури. Яркие полярные сияния сильно нагревают ионосферу, заставляя ее плазму расширяться в магнитосферу, увеличивая размер плазменной геосферы и вызывая выход атмосферного вещества в солнечный ветер.Геомагнитные бури возникают, когда давление плазмы, содержащейся внутри магнитосферы, достаточно велико, чтобы раздуть и тем самым исказить геомагнитное поле.
Солнечный ветер отвечает за общую форму магнитосферы Земли, а колебания его скорости, плотности, направления и увлеченного магнитного поля сильно влияют на местную космическую среду Земли. Например, уровни ионизирующего излучения и радиопомех могут варьироваться в сотни и тысячи раз; а форма и расположение магнитопаузы и головной ударной волны перед ней могут изменяться на несколько земных радиусов, подвергая геостационарные спутники воздействию прямого солнечного ветра.Эти явления в совокупности называются космической погодой. Механизм срыва атмосферы обусловлен попаданием газа в пузырьки магнитного поля, срываемые солнечным ветром. [3] Изменения напряженности магнитного поля коррелируют с изменением количества осадков в тропиках. [4]
Магнитные полюса и магнитный диполь
Основные статьи: Северный магнитный полюс и Южный магнитный полюс Магнитное склонение от истинного севера в 1700 г.Положения магнитных полюсов можно определить как минимум двумя способами [5] .
Часто магнитный полюс рассматривается как точка на поверхности Земли, где магнитное поле полностью вертикально. Другими словами, наклон поля Земли составляет 90° на Северном магнитном полюсе и -90° на Южном магнитном полюсе. На магнитном полюсе компас, удерживаемый в горизонтальной плоскости, указывает случайным образом, в то время как в противном случае он указывает почти на Северный магнитный полюс или в сторону от Южного магнитного полюса, хотя существуют локальные отклонения. Два полюса блуждают независимо друг от друга и не находятся в прямо противоположных положениях на земном шаре.Магнитный полюс падения может быстро мигрировать, для Северного магнитного полюса [6] были сделаны наблюдения до 40 км в год.
Магнитное поле Земли можно приблизительно сравнить с полем магнитного диполя, расположенного недалеко от центра Земли. Ориентация диполя определяется осью. Два положения, в которых ось диполя, наиболее точно соответствующего геомагнитному полю, пересекает поверхность Земли, называются северным и южным геомагнитными полюсами. Для наилучшего соответствия диполь, представляющий геомагнитное поле, должен быть расположен примерно в 500 км от центра Земли.Это приводит к тому, что внутренний радиационный пояс опускается ниже в южной части Атлантического океана, где поверхностное поле является самым слабым, создавая так называемую Южно-Атлантическую аномалию.
Если бы магнитное поле Земли было совершенно диполярным, то геомагнитный и магнитный полюсы падения совпадали бы. Однако значительные недиполярные члены в точном описании геомагнитного поля приводят к тому, что положение двух типов полюсов оказывается в разных местах.
Характеристики поля
Напряженность поля на поверхности Земли колеблется от менее 30 мкТл (0. 3 Гс) на территории, включающей большую часть Южной Америки и Южной Африки, до более 60 микротесл (0,6 Гс) вокруг магнитных полюсов в северной Канаде и на юге Австралии, а также в части Сибири. Средняя напряженность магнитного поля во внешнем ядре Земли составила 25 Гаусс, что в 50 раз сильнее, чем магнитное поле на поверхности. [9] [10]
Поле похоже на поле стержневого магнита. Магнитное поле Земли в основном создается электрическими токами в жидком внешнем ядре.Ядро Земли горячее 1043 К, температуры точки Кюри, выше которой ориентация спинов в железе становится случайной. Такая рандомизация приводит к тому, что вещество теряет свою намагниченность.
Конвекция расплавленного железа во внешнем жидком ядре вместе с эффектом Кориолиса, вызванным общим вращением планет, имеет тенденцию организовывать эти «электрические токи» в валы, выровненные вдоль полярной оси север-юг. Когда проводящая жидкость течет через существующее магнитное поле, индуцируются электрические токи, которые, в свою очередь, создают другое магнитное поле. Когда это магнитное поле усиливает первоначальное магнитное поле, создается динамо, которое поддерживает себя. Это называется теорией динамо, и она объясняет, как поддерживается магнитное поле Земли.
Еще одной особенностью, которая магнитно отличает Землю от стержневого магнита, является ее магнитосфера. На больших расстояниях от планеты это доминирует над поверхностным магнитным полем. Электрические токи, наведенные в ионосфере, также генерируют магнитные поля. Такое поле всегда генерируется вблизи того места, где атмосфера ближе всего к Солнцу, вызывая ежедневные изменения, которые могут отклонять поверхностные магнитные поля на целых один градус.Типичные ежедневные колебания напряженности поля составляют около 25 нанотеслас (нТл) (т.е. ~ 1:2000), с изменениями в течение нескольких секунд обычно около 1 нТл (т.е. ~ 1:50000). [11]
Вариации магнитного поля
Вариации геомагнитного поля с момента последнего инверсии. Токи в ядре Земли, создающие ее магнитное поле, зародились не менее 3 450 миллионов лет назад. [12] [13]
Магнитометры обнаруживают мельчайшие отклонения в магнитном поле Земли, вызванные железными артефактами, печами, некоторыми типами каменных сооружений и даже канавами и отбросами в археологической геофизике.Используя магнитные инструменты, адаптированные из бортовых детекторов магнитных аномалий, разработанных во время Второй мировой войны для обнаружения подводных лодок, были нанесены на карту магнитные вариации на дне океана. Базальт — богатая железом вулканическая порода, слагающая дно океана, — содержит сильно магнитный минерал (магнетит) и может локально искажать показания компаса. Искажение было обнаружено исландскими мореплавателями еще в конце 18 века. Что еще более важно, поскольку присутствие магнетита придает базальту измеримые магнитные свойства, эти магнитные вариации предоставили еще одно средство для изучения глубоководного дна океана.Когда новообразованная порода остывает, такие магнитные материалы записывают магнитное поле Земли.
Часто в магнитосферу Земли попадают солнечные вспышки, вызывающие геомагнитные бури, провоцирующие появление полярных сияний. Кратковременная нестабильность магнитного поля измеряется K-индексом.
Недавно были обнаружены утечки в магнитном поле, которые взаимодействуют с солнечным ветром противоположным первоначальной гипотезе образом. Во время солнечных бурь это может привести к масштабным отключениям электроэнергии и сбоям в работе искусственных спутников. [14]
- См. также Магнитная аномалия
Инверсия магнитного поля
Основная статья: Геомагнитная инверсияНа основании изучения лавовых потоков базальта во всем мире было высказано предположение, что магнитное поле Земли меняет направление с интервалами от десятков тысяч до многих миллионов лет, со средним интервалом около 300 000 лет. [15] Однако последнее такое событие, называемое инверсией Брюнеса-Матуямы, произошло примерно 780 000 лет назад.
Не существует четкой теории относительно того, как могла произойти инверсия геомагнитного поля. Некоторые ученые создали модели ядра Земли, в которых магнитное поле лишь квазистабильно, а полюса могут спонтанно перемещаться из одной ориентации в другую в течение от нескольких сотен до нескольких тысяч лет. Другие ученые предполагают, что геодинамо сначала выключается либо спонтанно, либо в результате какого-то внешнего воздействия, такого как удар кометы, а затем перезапускается с магнитным «северным» полюсом, указывающим либо на север, либо на юг.Внешние события вряд ли могут быть обычными причинами инверсии магнитного поля из-за отсутствия корреляции между возрастом ударных кратеров и временем инверсии. Независимо от причины, когда магнитный полюс перескакивает с одного полушария на другое, это называется инверсией, тогда как временные изменения наклона диполя, которые проводят ось диполя через экватор, а затем возвращаются к исходной полярности, известны как отклонения.
Исследования потоков лавы на горе Стинс, штат Орегон, показывают, что магнитное поле могло смещаться со скоростью до 6 градусов в день в какой-то момент истории Земли, что серьезно ставит под сомнение общепринятое понимание того, как работает магнитное поле Земли. . [16]
Палеомагнитные исследования, подобные этим, обычно состоят из измерений остаточной намагниченности изверженных пород вулканических извержений. Отложения, лежащие на дне океана, ориентируются по местному магнитному полю, сигнал, который можно зарегистрировать по мере их затвердевания. Хотя отложения магматических пород в основном парамагнитны, они содержат следы ферри- и антиферромагнитных материалов в виде оксидов железа, что придает им способность обладать остаточной намагниченностью.На самом деле, эта характеристика довольно распространена во многих других типах горных пород и отложений, встречающихся по всему миру. Одним из наиболее распространенных из этих оксидов, обнаруживаемых в месторождениях природных горных пород, является магнетит.
В качестве примера того, как это свойство магматических пород позволяет нам определить, что поле Земли в прошлом менялось на противоположное, рассмотрим измерения магнетизма через океанские хребты. Прежде чем магма выйдет из мантии через трещину, она имеет чрезвычайно высокую температуру, выше температуры Кюри любого оксида железа, который она может содержать. Лава начинает остывать и затвердевать, как только попадает в океан, что позволяет этим оксидам железа в конечном итоге восстановить свои магнитные свойства, в частности, способность удерживать остаточную намагниченность. Если предположить, что единственное магнитное поле, присутствующее в этих местах, связано с самой Землей, эта затвердевшая порода намагничивается в направлении геомагнитного поля. Хотя напряженность поля довольно слабая, а содержание железа в типичных образцах горных пород невелико, относительно малая остаточная намагниченность образцов находится в пределах разрешающей способности современных магнитометров.Затем можно измерить возраст и намагниченность образцов затвердевшей лавы, чтобы определить ориентацию геомагнитного поля в древние эпохи.
Обнаружение магнитного поля
Отклонения модели магнитного поля от измеренных данных, данные, созданные спутниками с чувствительными магнитометрами Напряженность магнитного поля Земли была измерена Карлом Фридрихом Гауссом в 1835 г. около 10% за последние 150 лет. [17] Спутник Magsat и более поздние спутники использовали 3-осевые векторные магнитометры для исследования трехмерной структуры магнитного поля Земли. Более поздний спутник Эрстеда позволил провести сравнение, указывающее на динамическое геодинамо в действии, которое, по-видимому, порождает альтернативный полюс под Атлантическим океаном к западу от Южной Африки. [18]
Правительства иногда используют подразделения, которые специализируются на измерении магнитного поля Земли. Это геомагнитные обсерватории, обычно входящие в состав национальной геологической службы, например, обсерватория Эскдалемуир Британской геологической службы.Такие обсерватории могут измерять и прогнозировать магнитные условия, которые иногда влияют на связь, электроэнергию и другую деятельность человека. (См. магнитная буря.)
Международная сеть магнитных обсерваторий реального времени, объединяющая более 100 взаимосвязанных геомагнитных обсерваторий по всему миру, регистрирует магнитное поле Земли с 1991 года.
Военные определяют характеристики местного геомагнитного поля, чтобы для обнаружения аномалий на естественном фоне, которые могут быть вызваны значительным металлическим объектом, таким как затопленная подводная лодка.Как правило, эти детекторы магнитных аномалий летают на самолетах, таких как британский Nimrod, или буксируются в качестве инструмента или набора инструментов с надводных кораблей.
В коммерческих целях геофизические разведочные компании также используют магнитные детекторы для выявления природных аномалий в рудных телах, таких как Курская магнитная аномалия.
Животные, включая птиц и черепах, могут обнаруживать магнитное поле Земли и использовать его для навигации во время миграции. [19] Коровы и дикие олени, как правило, выравнивают свои тела с севера на юг во время отдыха, но не тогда, когда животные находятся под высоковольтными линиями электропередач, что наводит исследователей на мысль, что за это ответственен магнетизм. Дайсон, П.Дж. (2009). «Биология: электрические коровы». Природа 458 (7237): 389. doi:10.1038/458389a. PMID 19325587.
Внешние ссылки
- Уильям Дж. Броуд, Укажет ли компас на юг? . New York Times, 13 июля 2004 г.
- Джон Роуч, Почему магнитное поле Земли переворачивается? . National Geographic, 27 сентября 2004 г.
- Когда север идет на юг . Проекты в области научных вычислений, 1996 г.
- Трехмерный симулятор заряженных частиц магнитного поля Земли . Инструмент, предназначенный для трехмерного моделирования заряженных частиц в магнитосфере.. [Требуется подключаемый модуль VRML]
- Великий магнит, Земля , История открытия магнитного поля Земли Дэвидом П. Стерн.
- Исследование магнитосферы Земли , Образовательный веб-сайт Дэвида П. Стерна и Маурисио Передо
Physics4Kids.com: Электричество и магнетизм: магнитные поля
Магнитные поля отличаются от электрических полей.

Магнитные поля — это области, в которых объект проявляет магнитное влияние.Поля воздействуют на соседние объекты вдоль так называемых силовых линий магнитного поля. Магнитный объект может притягивать или отталкивать другой магнитный объект. Вы также должны помнить, что магнитные силы НЕ связаны с гравитацией. Величина гравитации зависит от массы объекта, а магнитная сила зависит от материала, из которого сделан объект.
Если вы поместите объект в магнитное поле, он будет затронут, и эффект будет происходить вдоль силовых линий. Во многих экспериментах в классе наблюдают, как маленькие кусочки железа (Fe) выстраиваются вокруг магнитов вдоль силовых линий. Магнитные полюса — это точки, где начинаются и заканчиваются силовые линии магнитного поля. Силовые линии сходятся или сходятся на полюсах. Вы, наверное, слышали о полюсах Земли. Эти полюса — места, где линии поля наших планет сходятся. Мы называем эти полюса северным и южным, потому что именно там они расположены на Земле. Все магнитные объекты имеют силовые линии и полюса. Он может быть маленьким, как атом, или большим, как звезда.

Как отмечалось ранее, ток в проводах производит магнитный эффект.Вы можете увеличить силу этого магнитного поля, увеличив ток через провод. Мы можем использовать этот принцип для изготовления искусственных регулируемых магнитов, называемых электромагнитами , путем изготовления катушек из проволоки, а затем пропускания тока через катушки.
20.3 Электромагнитная индукция — физика
Раздел Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете делать следующее:
- Объясните, как изменяющееся магнитное поле создает ток в проводе
- Расчет индуцированной электродвижущей силы и тока
Поддержка учителей
Поддержка учителей
Цели обучения в этом разделе помогут вашим ученикам освоить следующие стандарты:
- (5) Учащийся знает природу сил в физическом мире.
Ожидается, что студент:
- (Г) исследовать и описывать взаимосвязь между электрическими и магнитными полями в таких приложениях, как генераторы, двигатели и трансформаторы.
Кроме того, в Руководстве по физике для старшей школы OSX рассматривается содержание этого раздела лабораторной работы под названием «Магнетизм», а также следующие стандарты:
- (5) Научные концепции. Учащийся знает природу сил в физическом мире. Ожидается, что студент:
- (Г) исследовать и описывать взаимосвязь между электрическими и магнитными полями в таких приложениях, как генераторы, двигатели и трансформаторы.
Основные термины раздела
ЭДС | индукция | магнитный поток |
Изменение магнитных полей
В предыдущем разделе мы узнали, что ток создает магнитное поле. Если природа симметрична, то, возможно, магнитное поле может создавать ток. В 1831 году, примерно через 12 лет после открытия того, что электрический ток создает магнитное поле, английский ученый Майкл Фарадей (1791–1862) и американский ученый Джозеф Генри (1797–1878) независимо друг от друга продемонстрировали, что магнитные поля могут создавать токи.Основной процесс генерации токов магнитными полями называется индукцией; этот процесс также называют магнитной индукцией, чтобы отличить его от индукционной зарядки, в которой используется электростатическая кулоновская сила.
Когда Фарадей открыл то, что сейчас называется законом индукции Фарадея, королева Виктория спросила его, как можно использовать электричество. «Мадам, — ответил он, — что хорошего в ребенке?» Сегодня токи, вызванные магнитными полями, необходимы для нашего технологического общества. Электрический генератор, который можно найти во всем, от автомобилей до велосипедов и атомных электростанций, использует магнетизм для выработки электрического тока. К другим устройствам, использующим магнетизм для индукции тока, относятся катушки звукоснимателей в электрогитарах, трансформаторы любого размера, некоторые микрофоны, ворота безопасности в аэропортах и демпфирующие механизмы на чувствительных химических весах.
В одном из экспериментов Фарадея для демонстрации магнитной индукции стержневой магнит перемещался через проволочную катушку и измерялся результирующий электрический ток через провод. Схема этого эксперимента показана на рис. 20.33. Он обнаружил, что ток индуцируется только тогда, когда магнит движется относительно катушки.Когда магнит неподвижен относительно катушки, ток в катушке не индуцируется, как показано на рис. 20.33. Кроме того, перемещение магнита в противоположном направлении (сравните рис. 20.33 с рис. 20.33) или изменение полюсов магнита (сравните рис. 20.33 с рис. 20.33) приводит к возникновению тока в противоположном направлении.
Рис. 20.33. Движение магнита относительно катушки создает электрические токи, как показано на рисунке. Такие же токи возникают, если катушку перемещать относительно магнита.Чем больше скорость, тем больше величина тока, а ток равен нулю, когда нет движения. Ток, возникающий при перемещении магнита вверх, имеет направление, противоположное току, возникающему при перемещении магнита вниз.
Виртуальная физика
Закон Фарадея
Попробуйте эту симуляцию, чтобы увидеть, как движение магнита создает ток в цепи. Лампочка загорается, чтобы показать, когда течет ток, а вольтметр показывает падение напряжения на лампочке.Попробуйте провести магнит через катушку с четырьмя витками и через катушку с двумя витками. Какая катушка при той же скорости магнита выдает большее напряжение?
Проверка захвата
При северном полюсе влево и перемещении магнита справа налево создается положительное напряжение, когда магнит входит в катушку. Напряжение какого знака получится, если повторить опыт с южным полюсом слева?
- Знак напряжения изменится, потому что изменится направление тока при перемещении южного полюса магнита влево.
- Знак напряжения останется прежним, потому что направление тока не изменится при перемещении южного полюса магнита влево.
- Знак напряжения изменится, потому что величина протекающего тока изменится при перемещении южного полюса магнита влево.
- Знак напряжения останется прежним, поскольку величина протекающего тока не изменится при перемещении южного полюса магнита влево.
Индуцированная электродвижущая сила
Если в катушке индуцируется ток, Фарадей рассудил, что должно существовать то, что он назвал электродвижущей силой , проталкивающей заряды через катушку. Эта интерпретация оказалась неверной; вместо этого внешний источник, выполняющий работу по перемещению магнита, добавляет энергию к зарядам в катушке. Энергия, добавляемая на единицу заряда, имеет единицы вольт, поэтому электродвижущая сила на самом деле представляет собой потенциал. К сожалению, название «электродвижущая сила» прижилось, а вместе с ним и возможность спутать его с реальной силой.По этой причине мы избегаем термина электродвижущая сила и просто используем аббревиатуру ЭДС , которая имеет математический символ ε.ε. ЭДС можно определить как скорость, с которой энергия извлекается из источника на единицу тока, протекающего по цепи. Таким образом, ЭДС представляет собой энергию на единицу заряда 90 639, добавляемую 90 138 источником, которая контрастирует с напряжением, которое представляет собой энергию на единицу заряда 90 639, высвобождаемую 90 138 при протекании зарядов по цепи.
Чтобы понять, почему в катушке возникает ЭДС из-за движущегося магнита, рассмотрим рисунок 20.34, на котором показан стержневой магнит, движущийся вниз относительно проволочной петли. Первоначально через петлю проходят семь силовых линий магнитного поля (см. изображение слева). Поскольку магнит удаляется от катушки, только пять силовых линий магнитного поля проходят через петлю через короткое время ΔtΔt (см. изображение справа). Таким образом, когда происходит изменение числа силовых линий магнитного поля, проходящих через область, определяемую проволочной петлей, в проволочной петле индуцируется ЭДС. Эксперименты, подобные этому, показывают, что ЭДС индукции пропорциональна скорости изменения магнитного поля.Математически мы выражаем это как
20,24
где ΔBΔB — изменение величины магнитного поля за время ΔtΔt, а A — площадь петли.
Рис. 20.34 Стержневой магнит движется вниз по отношению к проволочной петле, так что число силовых линий магнитного поля, проходящих через петлю, со временем уменьшается. Это приводит к тому, что в петле индуцируется ЭДС, создающая электрический ток.
Обратите внимание, что силовые линии магнитного поля, лежащие в плоскости проволочной петли, на самом деле не проходят через петлю, как показано самой левой петлей на рисунке 20.35. На этом рисунке стрелка, выходящая из петли, представляет собой вектор, величина которого равна площади петли и направление которого перпендикулярно плоскости петли. На рис. 20.35 при повороте петли от θ=90°θ=90°
до θ=0°, θ=0° вклад силовых линий магнитного поля в ЭДС увеличивается. Таким образом, для создания ЭДС в проволочной петле важна та составляющая магнитного поля, которая перпендикулярна плоскости петли, то есть Bcosθ.Bcosθ.
Это аналог паруса на ветру.Думайте о проводящей петле как о парусе, а о магнитном поле — как о ветре. Чтобы максимизировать силу ветра, действующую на парус, парус ориентируют так, чтобы вектор его поверхности указывал в том же направлении, что и ветер, как в крайней правой петле на рис. 20.35. Когда парус выровнен так, что вектор его поверхности перпендикулярен ветру, как в крайней левой петле на рис. 20.35, тогда ветер не действует на парус.
Таким образом, с учетом угла магнитного поля по отношению к площади пропорциональность E∝ΔB/ΔtE∝ΔB/Δt становится равной
E∝ΔBcosθΔt.E∝ΔBcosθΔt.20,25
Рис. 20.35 Магнитное поле лежит в плоскости крайнего левого контура, поэтому в данном случае оно не может генерировать ЭДС.
Еще один способ уменьшить количество силовых линий магнитного поля, проходящих через проводящую петлю на рисунке 20.35 не для перемещения магнита, а для уменьшения петли. Эксперименты показывают, что изменение площади проводящего контура в постоянном магнитном поле индуцирует в контуре ЭДС. Таким образом, ЭДС, создаваемая в проводящей петле, пропорциональна скорости изменения произведения перпендикулярного магнитного поля и площади петли
ε∝Δ[(Bcosθ)A]Δt,ε∝Δ[(Bcosθ)A]Δt,20,26
, где BcosθBcosθ — перпендикулярное магнитное поле, а A — площадь контура.Произведение BAcosθBAcosθ очень важно. Оно пропорционально числу силовых линий магнитного поля, проходящих перпендикулярно через поверхность площадью A . Возвращаясь к нашей аналогии с парусом, это было бы пропорционально силе ветра на парусе. Он называется магнитным потоком и обозначается ΦΦ.
20,27
Единицей магнитного потока является вебер (Вб), то есть магнитное поле на единицу площади, или Т/м 2 . Вебер также является вольт-секундой (Vs).
ЭДС индукции фактически пропорциональна скорости изменения магнитного потока через проводящую петлю.
ε∝ΔΦΔtε∝ΔΦΔt20,28
Наконец, для катушки из Н витков ЭДС в Н раз сильнее, чем для одиночного витка. Таким образом, ЭДС, индуцируемая переменным магнитным полем в катушке из Н витков, равна
ε∝NΔBcosθΔtA.ε∝NΔBcosθΔtA. Последний вопрос, на который нужно ответить, прежде чем мы сможем преобразовать пропорциональность в уравнение: «В каком направлении течет ток?» Русский ученый Генрих Ленц (1804–1865) объяснил, что ток течет в направлении, создающем магнитное поле, которое пытается поддерживать постоянный поток в контуре. Например, снова рассмотрим рис. 20.34. Движение стержневого магнита приводит к уменьшению числа направленных вверх силовых линий магнитного поля, проходящих через петлю. Следовательно, в петле создается ЭДС, которая движет ток в направлении, создающем более направленные вверх силовые линии магнитного поля. Используя правило правой руки, мы видим, что этот ток должен течь в направлении, показанном на рисунке. Чтобы выразить тот факт, что ЭДС индукции противодействует изменению магнитного потока через проволочный контур, в пропорциональность ε∝ΔΦ/Δt вводится знак минус.) внутри катушки, направленной влево. Это будет противодействовать увеличению магнитного потока, направленного вправо. Чтобы увидеть, в каком направлении должен течь ток, укажите большим пальцем правой руки в нужном направлении магнитного поля B→катушка,B→катушка, и ток будет течь в направлении, указанном сгибанием пальцев правой руки. Это показано изображением правой руки в верхнем ряду рис. 20.36. Таким образом, ток должен течь в направлении, показанном на рис.
4(а).
На рис. 4(b) направление движения магнита изменено на противоположное.В катушке направленное вправо магнитное поле B→magB→mag из-за движущегося магнита уменьшается. Закон Ленца гласит, что, чтобы противодействовать этому уменьшению, ЭДС будет управлять током, который создает дополнительное магнитное поле, направленное вправо B → катушка B → катушка в катушке. Снова направьте большой палец правой руки в нужном направлении магнитного поля, и ток потечет в направлении, указанном сгибанием пальцев правой руки (рис. 4(b)).
Наконец, на рис. 4(с) магнит перевернут так, что южный полюс находится ближе всего к катушке.Теперь магнитное поле B→magB→mag указывает на магнит, а не на катушку. Когда магнит приближается к катушке, это вызывает увеличение направленного влево магнитного поля в катушке. Закон Ленца говорит нам, что ЭДС, индуцируемая в катушке, будет направлять ток в направлении, создающем магнитное поле, направленное вправо. Это будет противодействовать увеличивающемуся магнитному потоку, направленному влево из-за магнита. Повторное использование правила правой руки, как показано на рисунке, показывает, что ток должен течь в направлении, показанном на рисунке 4(c).
Рис. 20.36 Закон Ленца говорит нам, что ЭДС магнитного поля будет вызывать ток, который сопротивляется изменению магнитного потока в цепи. Это показано на панелях (a)–(c) для различных ориентаций и скоростей магнита. Правые руки справа показывают, как применить правило правой руки, чтобы определить, в каком направлении течет индуцированный ток вокруг катушки.
Виртуальная физика
Электромагнитная лаборатория Фарадея
Эта симуляция предлагает несколько действий.Сейчас нажмите на вкладку Pickup Coil, которая представляет собой стержневой магнит, который вы можете перемещать через катушку. При этом вы можете видеть, как электроны движутся в катушке, и загорается лампочка, или вольтметр показывает напряжение на резисторе. Обратите внимание, что вольтметр позволяет вам видеть знак напряжения при перемещении магнита. Вы также можете оставить стержневой магнит в покое и двигать катушку, хотя наблюдать результаты будет труднее.
Проверка захвата
Исследования PhET: Электромагнитная лаборатория Фарадея Поиграйте со стержневым магнитом и катушками, чтобы узнать о законе Фарадея.Переместите стержневой магнит рядом с одной или двумя катушками, чтобы лампочка загорелась. Посмотрите на линии магнитного поля. Счетчик показывает направление и величину тока. Просмотрите линии магнитного поля или используйте измеритель, чтобы показать направление и величину тока. Вы также можете играть с электромагнитами, генераторами и трансформаторами! Сориентируйте стержневой магнит северным полюсом вправо и поместите приемную катушку справа от стержневого магнита. Теперь переместите стержневой магнит к катушке и посмотрите, как движутся электроны.Это та же самая ситуация, что изображена ниже. Течет ли ток в моделировании в том же направлении, как показано ниже? Объясните, почему да или почему нет.
- Да, ток в моделировании течет, как показано, потому что направление тока противоположно направлению потока электронов.
- Нет, ток в моделировании течет в противоположном направлении, потому что направление тока совпадает с направлением потока электронов.
Watch Physics
Наведенный ток в проводе
В этом видеоролике показано, как можно индуцировать ток в прямом проводе, перемещая его через магнитное поле.через однородное магнитное поле (0,30 Тл) ẑ ? Провод лежит в направлении х . Кроме того, какой конец провода находится под более высоким потенциалом — пусть нижний конец провода будет на 90 639 y 90 138 = 0, а верхний конец на 90 639 y 90 138 = 0,5 м)?
- 0,15 В и нижний конец провода будет под более высоким потенциалом
- 0,15 В и верхний конец провода будет под более высоким потенциалом
- 0,075 В и нижний конец провода будет под более высоким потенциалом
- 0.
075 В и верхний конец провода будет под более высоким потенциалом
Рабочий пример
ЭДС, индуцированная в проводящей катушке движущимся магнитом
Представьте, что магнитное поле проходит через катушку в направлении, указанном на рис. 20.37. Диаметр катушки 2,0 см. Если магнитное поле изменяется от 0,020 до 0,010 Тл за 34 с, каковы направление и величина индуцированного тока? Предположим, катушка имеет сопротивление 0,1 Ом.Ом.
Рис. 20.37 Катушка, через которую проходит магнитное поле B .
Стратегия
Используйте уравнение ε=−NΔΦ/Δtε=−NΔΦ/Δt, чтобы найти ЭДС индукции в катушке, где Δt=34sΔt=34s . Подсчитав количество петель в соленоиде, мы находим, что в нем 16 петель, поэтому N=16.N=16. Используйте уравнение Φ=BAcosθΦ=BAcosθ для расчета магнитного потока использовали cos0°=1.cos0°=1. Поскольку площадь соленоида не меняется, изменение магнитного потока через соленоид составляет
ΔΦ=ΔBπ(d2)2.
20,31
Как только мы найдем ЭДС, мы можем использовать закон Ома, ε=IR,ε=IR, чтобы найти ток.
Наконец, закон Ленца говорит нам, что ток должен создавать магнитное поле, которое препятствует уменьшению приложенного магнитного поля. Таким образом, ток должен создавать магнитное поле справа.
Решение
Объединение уравнений ε=−NΔΦ/Δtε=−NΔΦ/Δt и Φ=BAcosθΦ=BAcosθ дает
ε=-NΔΦΔt=-NΔBπd24Δt.ε=-NΔΦΔt=-NΔBπd24Δt.20,32
Решение закона Ома для тока и использование этого результата дает
I=εR=−NΔBπd24RΔt=−16(−0,010T)π(0,020м)24(0,10Ω)(34s)=15μA.I=εR=−NΔBπd24RΔt=−16(−0,010T)π(0,020m)24 (0,10 Ом)(34 с)=15 мкА.20,33
Закон Ленца говорит нам, что ток должен создавать магнитное поле справа. Таким образом, мы направляем большой палец правой руки вправо и сгибаем правые пальцы вокруг соленоида. Ток должен течь в том направлении, в котором указывают наши пальцы, поэтому он входит в левый конец соленоида и выходит в правый конец.
Обсуждение
Давайте посмотрим, имеет ли смысл знак минус в законе индукции Фарадея. Определите направление магнитного поля как положительное. Это означает, что изменение магнитного поля отрицательно, как мы обнаружили выше. Знак минус в законе индукции Фарадея сводит на нет отрицательное изменение магнитного поля, оставляя нам положительный ток. Следовательно, ток должен течь в направлении магнитного поля, что мы и нашли.
Теперь попробуйте определить положительное направление как направление, противоположное направлению магнитного поля, т. е. положительное направление слева на рисунке 20.37. В этом случае вас ждет отрицательный ток. Но поскольку положительное направление направлено влево, отрицательный ток должен течь вправо, что опять-таки согласуется с тем, что мы нашли, используя закон Ленца.
Рабочий пример
Магнитная индукция из-за изменения размера цепи
Схема, показанная на рис. 20. 38, состоит из U-образного провода с резистором, концы которого соединены скользящим токопроводящим стержнем. Магнитное поле, заполняющее область, ограниченную контуром, постоянно равно 0.01 T. Если стержень тянут вправо со скоростью v=0,50м/с, v=0,50м/с, какой ток индуцируется в цепи и в каком направлении течет ток?
Рис. 20.38 Схема ползунка. Магнитное поле постоянно, и стержень тянется вправо со скоростью v . Изменяющаяся площадь, окруженная цепью, индуцирует ЭДС в цепи.
Стратегия
Мы снова используем закон индукции Фарадея, E=-NΔΦΔt, E=-NΔΦΔt, хотя на этот раз магнитное поле постоянно, а площадь, ограниченная цепью, изменяется.Схема содержит один контур, поэтому N=1.N=1. Скорость изменения площади составляет ΔAΔt=vℓ.ΔAΔt=vℓ. Таким образом скорость изменения магнитного потока равна
ΔΦΔt=Δ(BAcosθ)Δt=BΔAΔt=Bvℓ,ΔΦΔt=Δ(BAcosθ)Δt=BΔAΔt=Bvℓ,20,34
, где мы использовали тот факт, что угол θθ между вектором площади и магнитным полем равен 0°. Зная ЭДС, мы можем найти силу тока, используя закон Ома. Чтобы найти направление тока, применим закон Ленца.
Решение
Закон индукции Фарадея дает
E=-NΔΦΔt=-Bvℓ.E=-NΔΦΔt=-Bvℓ.20,35
Решение закона Ома для тока и использование предыдущего результата для ЭДС дает
I=ER=-BvℓR=-(0,010T)(0,50м/с)(0,10м)20Ω=25мкA.I=ER=-BvℓR=-(0,010T)(0,50м/с)(0,10м)20Ω= 25 мкА.20,36
По мере скольжения стержня вправо магнитный поток, проходящий через цепь, увеличивается. Закон Ленца говорит нам, что индуцированный ток создаст магнитное поле, противодействующее этому увеличению. Таким образом, магнитное поле, создаваемое индуцированным током, должно проникать внутрь страницы.Скручивание пальцев правой руки вокруг петли по часовой стрелке приводит к тому, что большой палец правой руки указывает на страницу, что является желаемым направлением магнитного поля. Таким образом, ток должен течь по часовой стрелке вокруг цепи.
Обсуждение
Сохраняется ли энергия в этой цепи? Внешний агент должен тянуть стержень с достаточной силой, чтобы просто уравновесить силу, действующую на провод с током в магнитном поле — напомним, что F=IℓBsinθ. F=IℓBsinθ. Скорость, с которой эта сила действует на стержень, должна быть уравновешена скоростью, с которой цепь рассеивает мощность.Используя F=IℓBsinθ, F=IℓBsinθ, сила, необходимая для вытягивания проволоки с постоянной скоростью v , равна
20,37
, где мы использовали тот факт, что угол θθ между током и магнитным полем составляет 90°,90°. Вставка нашего выражения для тока выше в это уравнение дает
Fpull=IℓB=−BvℓR(ℓB)=−B2vℓ2R.Fpull=IℓB=−BvℓR(ℓB)=−B2vℓ2R.20.38
Мощность, вносимая агентом, тянущим стержень, равна Fpulv, или Fpulv, или
Ppull=Fpulv=−B2v2ℓ2R.Ppull=Fpulv=−B2v2ℓ2R.20,39
Мощность, рассеиваемая цепью, равна
Pрассеиваемое=I2R=(-BvℓR)2R=B2v2ℓ2R. Pрассеиваемое=I2R=(-BvℓR)2R=B2v2ℓ2R.20.40
Таким образом, мы видим, что Ppull+Pdissipated=0, Ppull+Pdissipated=0, что означает сохранение мощности в системе, состоящей из контура и агента, тянущего за стержень. Таким образом, в этой системе сохраняется энергия.
Практические задачи
11.Магнитный поток через одну проволочную петлю изменяется с 3.от 5 Вб до 1,5 Вб за 2,0 с. Какая ЭДС возникает в контуре?
- –2,0 В
- –1,0 В
- +1,0 В
- +2,0 В
Чему равна ЭДС катушки с 10 витками, через которую изменяется поток со скоростью 10 Вб/с?
- –100 В
- –10 В
- +10 В
- +100 В
Проверьте свое понимание
13.Имея стержневой магнит, как можно индуцировать электрический ток в проволочной петле?
- Электрический ток индуцируется, если рядом с проволочной петлей находится стержневой магнит.
- Электрический ток индуцируется, если проволочная петля намотана на стержневой магнит.
- Электрический ток индуцируется, если стержневой магнит перемещается по проволочной петле.
- Электрический ток индуцируется, если стержневой магнит находится в контакте с проволочной петлей.
Какие факторы могут вызвать индукционный ток в проволочной петле, через которую проходит магнитное поле?
- Наведенный ток можно создать, только изменив размер проволочной петли.
- Наведенный ток можно создать, только изменив ориентацию проволочной петли.
- Наведенный ток может быть создан только путем изменения силы магнитного поля.
- Наведенный ток можно создать, изменив силу магнитного поля, изменив размер проволочной петли или изменив ориентацию проволочной петли.
