Магнитные рекорды / Хабр
Сегодня поговорим о рекордных магнитах и немного о том, зачем они нужны.
Магниты такой конструкции (резистивные биттеровские магниты) остаются рабочими лошадками лабораторий сильных магнитных полей.
Основным потребителем самых сильных магнитов весь 20 век была наука. Термоядерные установки, ускорители, исследования на базе ядерного магнитного резонанса, нейтронная физика, охлаждение до температур ниже 1 кельвина и много еще чего требует как можно большего значения магнитной напряженности/индукции (при рассмотрении «силы» поля, можно считать эти величины синонимами).
Еще одним рекордным магнитом, о котором мы сегодня говорить не будем, является двойной диполь ускорителя БАК — из 1232 таких набрано его основное кольцо. Поле ~9 Т создается сверхпроводящим кабелем из NbTi охлажденным до 1,8К
Прежде чем перейти к конкретным конструкциям, стоит вспомнить, что энергия магнитного поля, сила его воздействие на электрические заряды и диамагнетики зависит от индукции B как квадрат.
Еще одним необычным рекордом являются сверхпроводящие магниты немецкого стелларатора Wendelstein 7-X со сложнейшей геометрией.
Итак, начнем мы с определения некоторых координат. Для постоянных магнитов, которые выпускает промышленность, характерны значения поля от 0,01 до 0,5 Т, причем неодимовые магниты в 0,5 Т уже воспринимаются как “сильные”. Рекорд, который можно выжать из постоянных магнитов ~1,5 Т у самой поверхности.
В электрических машинах (двигателях, генераторах, трансформаторах) поле внутри железных магнитопроводов ограничивается насыщением железа, полями где-то в 1,8-2,2 Т. В воздушном зазоре типичного асинхронного двигателя вы увидите скорее всего поле 0,5-0,8 Т, для рекордных по энергомассовым характеристикам BLDC моторов (4-5 кВт/кг) — 1.
..1,2 Т.
Довольно оригинальным применением силы неодимовых магнитов является 19 кВт электродвигатель (на снимке — красный цилиндр), 2 таких крутят насосы окислителя и горючего на новом ракетном двигателе «Резерфорд» компании Rocket lab.
Где-то начиная с 1,5 Т обычные медные электромагниты начинают испытывать трудности, прежде всего с отводом тепла. Необходимость перемежать медь с трубками водяного охлаждения, а также растущее межвитковое напряжение вздувает размеры магнита гораздо быстрее, чем растет поле. Витки, которые располагаются дальше от рабочего объема вносят относительно небольшой вклад в поле, а значит ток в основном расходуется на нагрев магнита, а не на создание поля.
Медь
Однако с 1930х годов и почти до сих пор рекордные стационарные поля достигались в практически обычных водоохлаждаемых медных магнитах. Это так называемые Биттеровские магниты, представляющие собой медную пластинку свитую в спираль и имеющую хитрую систему продольных каналов охлаждения.
Американские биттеровские магниты 60-х годов на 25 Тесла.
Эта конструкция магнитов затем неоднократно оптимизировалась, и на сегодня рекорд поля в таких магнитах доведен до 38,5 Т в китайской лаборатории CHMFL. Мощность магнита составила 28,5 МВт с расходом охлаждающей воды в 500 литров в секунду (кстати, похоже к мощности магнита надо добавить еще примерно такую же на насосы, которые прокачивают эту воду через магнит). Ток около 36 тысяч ампер. При этом рекордное поле достигается в объеме диаметром всего 32 мм и длинной около 70 мм.
Китайский рекордный резистивный магнит — один заход спирали соленоида (из сплава CuAg), разрез и набор коаксиальных катушек.
Резистивные магниты сегодня подошли к лимитам возможностей материалов, и максимальное доступное поле в них растет в основном экстенсивно — за счет наращивания мощности системы питания и охлаждения, увеличения количества катушек.
Верхушка биттеровского магнита на 30 Т без крышки. Здесь видно отверстие исследовательской камеры и щели для подачи охлаждающей воды.
Однако есть еще одно применение больших магнитных полей сегодня — это ЯМР-томография, т.е. построение карт плотности тканей за счет взаимодействия водорода с радиоизлучением в сильном магнитном поле. Чем выше поле — тем большее пространственное разрешение системы. Для таких систем нужен довольно большой рабочий объем магнита а также высокая гомогенность поля. Исследования в области сверхпроводимости в свою очередь требуют криостатов, которые с трудом помещаются в диаметр 32 мм, да и поле для некоторых сверхпроводников нужно больше.
Немножко забегая вперед — сверхпроводящий ЯМР-томограф со сверхвысоким полем (21Т), просветом 110 мм и пример получаемого изображения с разрешением в 26 мкм
Поэтому с 80х годов 20 века появляется направление гибридных магнитов, идея которых заключается в том, чтобы поместить биттеровский магнит внутрь сверхпроводящего, поля которых сложатся. Это позволяет поднимать поле и дальше без роста и без того монструозных требований по мощности и расходу охлаждающей воды.
Гибриды
Вставка магнита Биттера внутрь сверхпроводящего означает, что последний должен иметь рабочий просвет в 400-800 мм, т.е. значительно больше, чем рекорды, которые мы видели до этого. Магниты с большими рабочими объемами но меньшим полем пришли в лаборатории сильных магнитных полей от разработчиков токамаков, где в конце 70х были созданы сверхпроводящие магниты на основе холодных сверхпроводников — ниобата олова и титана. В середине 80х в французской лаборатории сильных магнитных полей LNCMI создают гибридный магнит из 11Т сверхпроводящего и 22Т биттеровского с общим полем в 31Т, а в 2000 году американская National MagLab запускает установку гибридом с полем в 45Т, которая является рекордной до сих пор среди всех магнитов с постоянным полем.
Корпус всего магнита (слева) и криостата (справа)
Разрез гибридного магнита по криостату. Кстати, конструкция внешнего сверхпроводящего магнита, спроектированная для этой установки затем была использована еще в трех рекордных магнитах.
45 тесловый гибрид использует три внешних сверхпроводящих магнита и 4 внутренних резистивных типа “Биттер-флорида”. Резистивная часть потребляет 29 мегаватт при токе 74 кА и создает поле в 31 Т. Сверхпроводящая часть магнита создает поле в 14 Т и состоит из внешних обмоток из NbTi и внутренних из Nb3Sn, работает на токе в 8 кА при температуре 4,2 К. Просвет криостата сверхпроводящего магнита — 500 мм.
Сверхпроводящий внешний магнит гибрида на 45Т
И внутренний биттеровский магнит. Так 2,5 метра корпуса превращается в 32 мм рабочей камеры.
Для сравнения, напомню, что тороидальный магнит ИТЭР имеет ток проводинка в 68 кА, поле 12,8 Т при просвете 9000х7000 мм, т.е. можно представить, насколько далеко ИТЭР двинул вперед технологии низкотемпературных сверхпроводящих магнитов.
Кстати, в лабораторных магнитах используют проводник с гораздо меньшим током, наматывая больше витков — это упрощает систему питания да и сам проводник. Обратной стороной этого является бОльшие электрические напряжения в системе, когда сверхпроводник внезапно переходит в нормальное состояние.
Кроме ИТЭР эти технологии двинулись вперед с появлением промышленных высокотемпературных сверхпроводников. Если низкотемпературные СП в принципе не позволяют создать поля выше 22 Т, т.е. они могут быть только частью рекордного магнита, то для ВТСП этот лимит расширяет до как минимум 45 Т.
Зависимость критической плотности тока от поля у разных сверхпроводников. Кстати, вы задумывались когда-нибудь, что за оборудование используется для построения этих диаграмм и почему они упираются в 45Т?
Сегодня новое направление создания рекордных магнитов — это полностью сверхпроводящие и сейчас все ведущие лаборатории мира (Китай, Нидерланды, Франция, США)проектируют СП-магниты на 30+ Т.
Проект полностью сверхпроводящего магнита на 32Т
Технологии данного магнита потребовали почти 10 лет разработок, основные проблемы лежали в области очень высоких пондеромоторных сил со стороны мощного магнитного поля на витки с током. Механические напряжение в YBCO катушках достигает 700 МПа — здесь, кстати, хорошо помогает то, что ВТСП-лента по сути в основном состоит из никелевого сплава с высокими прочностными характеристиками — медь такие напряжения не выдерживает.
НИОКР высокопольного ВТСП магнита.
Второй класс проблем связан с аварийной потерей сверхпроводящего состояния, и вывода тока из катушек.
В частности, чтобы избежать пережога из-за медленного распространения нормальной зоны в катушки встроены нагреватели, которые при обнаружении перехода прогревают всю катушку, так чтобы энергия поля выделялась более равномерно.
Буквально недавно была изготовлена внутренняя рабочая катушка из ВТСП ленты, скоро можно ожидать запуска и сборки магнита.
Этот магнит будет обладать “холодным” рабочим объемом, и хорошо подойдет для изучения конденсированных состояний материи и квантовых эффектов в твердом теле, при этом по эксплуатационным расходам это совершенно другой класс устройств, в частности криостат, система криоснабжения и внешний СП-магнит из НТСП являются серийными изделиями, выпускаемымим фирмой Oxford Instruments.
Вообще oxford instruments — крупнейший поставщик сверхпроводящих магнитов, в основном для всякого научно-лабораторного применения на поля 3-15Т. В проекте ИТЭР эта фирма, например, поставляет магниты на 6Т для гиротронов
Вообще прежде чем перейти к следующим рекордсменам, хочется сказать о нескольких применениях таких магнитов за пределами просто предоставления стенда с высоким магнитыми полем.
Одним из основных прикладных потребителей серийных высокополевых магнитов являются ЯМР-спектрометры, рабочий инструмент химиков. Фирма Bruker, в частности, серийно производит спектрометры с полем до 23,5Т (у таких установок, кстати, есть довольно большие проблемы с экранированием такого поля от окружающих людей и предметов).
Исторический рост частоты ЯМР-спектрометров, что позволяет улучшать качество ЯМР-спектров.
Вторым серийным потребителем являются ЯМР-томографы высокого разрешения, которые применяются в биологических и нейробиологических исследованиях. Здесь поля доходят до 21Т. Наконец, чуть менее прикладным потребителем являются центры с нейтронными источниками, один из методов исследования магнитно-квантовых явлений — это изучение рассеяния нейтронов на материи в сильном магнитном поле, а также холодильники для субмикрокельвиновых температур, требующие полей от 8 до 20 Т.
Видео со сборки 26Т магнита с большим просветом для исследования рассеиния поляризованных нейтронов на материи в Helmholtz-Zentrum Berlin
Импульсные магниты
Основные инженерные проблемы создания высокопольных магнитов — теплоотвод и прочность — сильно облегчаются, если перейти от постоянного магнитного поля к импульсному.
2.
В сочетании с силовым подкреплением в виде стальной матрицы и захолаживанием жидким азотом (для снижения сопротивления, что уменьшает потребное напряжение, что облегчает изоляцию в таком магните) в 2012 году импульсные медные магниты достигли 101,2 Т в течении 1 миллисекунды — это значение на сегодня является рекордом (и принадлежит оно коллаборации американской ядерной оружейной лаборатории LANL и флоридской MagLab).
Видео про достижение рекордного значения поля в 101,2 Т. Впрочем, видно тут мало что, да и вообще такое ощущение, что конструкция магнита засекречена, известны только общие значения
Такое значение достигается также с помощью нескольких вложенных катушек, внешние из которых дают длинный импульс (около 2 секунд) амплитудой до 45 Т, а внутренние — короткий импульс в 65 Т. Такая схема позволяет выдерживать напряжения в проводнике за пределом текучести материалов.
Интересно, что мощность такого магнита достигает нескольких гигаватт.
Генератор, который закорачивают на внешние обмотки магнита для получения рекордных импульсных полей.
К сожалению, пока не видно каких-то путей по заметному увеличению значения поля в многоразовой установке. Однако если разрушение установки нам не страшно, то 101 Т — далеко не предел.
Самым простым вариантом тут является кусок меди, свернутый в виток, на который подключается высоковольтные конденсаторы. Такая схема позволяет получить и 300 и 400 тесла, правда на очень короткое время (порядка микросекунды) в объеме нескольких кубических миллиметров, что для экспериментатора, который занимается изучением топологии поверхностей Ферми в твердых телах, например, является довольно сложными ограничениями.
Импульс поля на одноразовом магните.
Довольно элегантный выход из этих ограничений был найден еще в 50х годах путем изобретения взрывомагнитных генераторов. Здесь затравочное магнитное поле в 10-20 Т сжимается до 2800 (!)Т. Делается это с помощью металлического цилиндрического лейнера, который с помощью цилиндрической взрывной волны от заряда взрывчатки коллапсирует к своей оси.
При этом продольное магнитное поле увеличивается примерно в 100-200 раз. По сравнению с предыдущей схемой во взрывомагнитном генераторе можно получить чуть большее время импульса магнитного поля, и чуть бОльший объем для образца, правда ценой гораздо более сложной постановки эксперимента.
Взрывомагнитный генератор и его принципиальная схема.
Еще в 50х годах с помощью ВМГ были измерены разнообразные характеристики материалов в экстремальном магнитном поле — проводимость, вращение поляризации (эффект фарадея), сжатие магнитного поля ядра атома и т.п. Еще одним интересным результатом является возможность ускорения такими магнитными полями металлических объектов до скоростей порядка 100 км/с.
Ограничения по полю у взрывомагнитных генераторов в свою очередь опять довольно фундаментально и связано с давлением магнитного поля, которое достигает десятков мегабар и останавливает металлический лейнер. 3000 тесла тут видимо является асимпотическим пределом.
В свою очередь, бОльшие значения давления (гигабары) достигаются в установках лазерной имплозии, и чисто теоретически такие установки способны создать магнитные поля в десятки тысяч и даже 100 тысяч тесла, правда в течении наносекунд и в микронных объемах.
2 для вещества в 10000 раз плотнее свинца. Наблюдения за магнетарами (и обычными нейтронными звездами, поля которых в тысячи раз меньше) позволяют лучше понять поведения материи и пространства в подобных условиях, дополняя лабораторные исследования рекордными магнитами.
характеристики и принцип действия постоянных магнитов
Какие тела называют постоянными магнитами
Определение 1Постоянный магнит — это твердый предмет, который способен долгое время сохранять состояние намагниченности и имеет собственное магнитное поле.
Постоянные магниты могут быть как естественного, так и искусственного происхождения. Ярким примером естественного магнита в природе является минерал магнетит.
Искусственные магниты изготавливаются из различных металлов и сплавов (железо, сталь, кобальт и т.д.). Их намагничивают в специально созданном сильном магнитном поле. После воздействия такого поля на металл он еще долгое время сохраняет значительную намагниченность и имеет свое магнитное поле.
Искусственные магниты можно сделать любой формы и размеров.
Интересный факт: наша планета Земля представляет собой огромный магнит. Ядро Земли имеет внешнюю оболочку из расплавленных металлов (железа, никеля и ряда примесей) при температуре более 4000 °K. Раскаленная масса, состоящая из смеси заряженных частиц, вращается вместе с Землей. В результате чего возникают непрерывно циркулирующие потоки и вихри, являющиеся главной причиной появления магнитного поля Земли.
Принцип взаимодействия постоянных магнитов
Мы уже знаем, что вокруг магнита существует магнитное поле.
Определение 2Магнитное поле — это пространство вокруг магнита, в котором действуют магнитные силы. Магнитное поле может быть создано постоянным магнитом или электромагнитом.
Поля двух магнитов вблизи могут взаимодействовать между собой, и это взаимодействие проявляется как притяжение или отталкивание магнитов. Разные полюса магнитов буду притягиваться, одинаковые отталкиваться.
Магнитное поле одного магнита будет действовать на другой магнит даже сквозь вакуум. Чтобы уменьшить действие магнитов, достаточно просто разместить их вдали друг от друга. Ниже, на рисунках, показан вид линий магнитной индукции (магнитного поля) при взаимодействии двух магнитов.
Свойства и характеристики постоянных магнитов
Основным признаком постоянного магнита является наличие двух магнитных полюсов: северного — N (минус), южного — S (плюс). Магнитные линии направлены снаружи постоянного магнита от северного к южному полюсу, а внутри — от южного к северному. При этом, даже если разделить такие магниты на половины, у каждой такой половины все равно будет два полюса.
Определение 3Магнитная индукция — векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля, а именно характеристикой его действия на движущиеся заряженные частицы и на обладающие магнитным моментом тела.
Определение 4Индуктивность (коэффициент самоиндукции) — коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в каком-либо замкнутом контуре, и полным магнитным потоком, создаваемым этим током через поверхность, краем которой является этот контур.
Силовой характеристикой магнитного поля в каждой его точке является векторная величина, называемая вектором магнитной индукции поля.
Модуль вектора магнитной индукции можно найти по формуле:
B = F/IΔl
Где B — магнитная индукция;
F — сила, с которой магнитное поле действует на проводник;
I — сила тока;
Δl — длина проводника.
Наилучшими материалами для постоянных магнитов электрических машин энергетического назначения являются соединения на основе редкоземельных материалов. К ним относятся составы кобальта с самарием, а также открытые сравнительно недавно сплавы на основе железа, неодима и бора.
Достоинствами этих постоянных магнитов являются высокая удельная энергия магнитов. В таблице ниже приведены основные параметры современных магнитотвердых сплавов, служащих для изготовления высококоэрцитивных постоянных магнитов. Эти магниты рассчитаны на работу в диапазоне температур от –60 до +200 °С.
Свойства наиболее распространенных постоянных магнитов
Наименование параметров | Вид магнита | Неодим- железо- бор | |
Феррит бария | Самарий- кобальт | ||
| Магнитная индукция, Вт, Тл | 0,36 | 0,8 – 0,9 | 0,8 – 1,2 |
Магнитная энергия, кДж/м3 | 22 – 28 | 100 – 400 | 200 – 400 |
Температурный коэффициент, % / 0С | 0,2 | 0,04 | 0,15 |
Плотность, г/см | 5,0 | 8,0 | 7,4 |
Существуют и немагнитные сплавы, к ним относятся: золотой, алюминиевый, медный и т.
д. Такие вещества называются диамагнетиками.
Мощность постоянных магнитов
Мощность магнита является довольно относительным понятием. То есть сила магнитного поля у магнита стабильна, и ее можно измерить и зафиксировать специальными датчиками и приборами. Но такой параметр, как сила сцепления, зависит от многих факторов, что следует учитывать при выборе магнитов.
Например, имеется зависимость от чистоты металлической поверхности и ее толщины. Влияние оказывает и угол отрыва. Под силой сцепления понимается усилие, необходимое для отрыва магнита от металлической поверхности толщиной не менее 10 мм. Особое значение имеют:
- угол прикладывания усилия;
- температура и влажность воздуха;
- магнитные свойства поверхности металла;
- наличие следов коррозии.
Использование постоянных магнитов
Постоянные магниты имеют широкое применение в технике, быту, медицине.
Определение 5Катушка индуктивности — это катушка проволоки, которая намотана вокруг сердечника.
Ядро сердечника может быть просто воздухом или магнитом. Когда подают ток через катушку, вокруг нее создается магнитное поле. При использовании магнитного сердечника магнитное поле будет намного сильнее.
В 1822 году французский ученый Ампер открыл магнитный эффект соленоида (разновидность катушки индуктивности), откуда следовала идея эквивалентности соленоида постоянному магниту. Также им было предложено усиливать магнитное поле с помощью железного сердечника, помещаемого внутрь соленоида. Такие катушки используются в радиооборудовании.
В компасе используют постоянный магнит, который взаимодействует с горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Магнитная стрелка поворачивается вокруг оси, располагаясь вдоль силовых линий магнитного поля.
Гальванометр. В схеме этого прибора имеется два постоянных противоположно направленных магнита. Конструкция гальванометра предусматривает наличие следующих элементов.
- Постоянные магниты.
- Поворачивающаяся катушка, расположенная между полюсами.
- Облегченный указатель (стрелка), который соединен с катушкой и образует с ней одну ось вращения. Если в последней отсутствует ток, то указатель фиксируется на нулевой отметке при помощи возвратной пружины.
Магнитоэлектрические амперметры измеряют силу постоянного тока. Самыми точными и чувствительными являются магнитоэлектрические и электродинамические амперметры. Принцип действия заключается в измерении взаимодействия между катушкой, закрепленной неподвижно, и магнитным полем, создаваемым постоянным магнитом в корпусе прибора.
В медицине магниты и магнитное поле используется в методах диагностики (например: МРТ) и методах лечения (альтернативная медицина — магнитотерапия).
Круги магнетизма: научная деятельность по электричеству и магнетизму
Компас позволяет нам наблюдать за направлением магнитного поля: стрелки компаса — это всего лишь маленькие магниты, которые могут свободно вращаться.
Обычно компасы реагируют на магнитное поле Земли, ориентируясь параллельно силовым линиям магнитного поля. Если мы создадим магнитное поле, более сильное, чем поле Земли, например, используя электрические токи, стрелка компаса будет ориентироваться параллельно новому полю.
Внимание! Работа с электричеством может действительно накалить! Всегда будьте осторожны с горячими проводами. И убедитесь, что вы не оставите провода зажима подключенными слишком долго, потому что электрический ток быстро разряжает батарею и может привести к ее перегреву. Нескольких секунд должно быть достаточно, чтобы сделать хорошие наблюдения.
Тема:
Физика
Электричество и магнетизм
Ключевые слова:
электромагнит
магнитное поле
Compass
На основе выставок
NGSS и EP & CS:
PS
PS2
CCCS
Паттерны
. Труба ПВХ и фитинги для сборки стенда, показанного на фотографиях выше (или подобного, с использованием материалов и дизайна по вашему выбору)
- Для стенда, показанного здесь, вам понадобится около 2 футов 1/2-дюймовой трубы из ПВХ сортамента 40, нарезанной на следующие длины:
- Один 6-дюймовый кусок
- Один 4-дюймовый кусок
- Две 3-дюймовые части
- Три 2-дюймовых куска
- Также вам понадобятся следующие приспособления:
- Два колена под углом 90 градусов
- Три тройника
Сборка
Изготовление стенда:
Сделайте один из своих собственных дизайнов или следуйте инструкциям ниже, чтобы построить подставку из ПВХ.
Обратите внимание, что нет необходимости использовать ПВХ-клей; фрикционной посадки будет достаточно, чтобы скрепить подставку.
- Соедините части ПВХ вместе, как показано на фотографиях выше. Начиная снизу, вставьте 3-дюймовые детали в два колена и соедините их с двумя 2-дюймовыми деталями и прямой частью Т-образного соединения, чтобы сформировать U-образное основание. Поверните тройник так, чтобы верхняя часть была направлена вверх, и вставьте 4-дюймовую деталь. Добавьте тройник и 6-дюймовую деталь, чтобы завершить вертикальную часть подставки. Вставьте оставшуюся 2-дюймовую деталь и тройник, чтобы сделать часть подставки, которая будет поддерживать вашу картонную платформу.
- Вырежьте прорезь шириной от 1/8 до 1/4 дюйма от центра одного края до центра картонной детали.
- Приклейте противоположный край картона к той части подставки из ПВХ (Т-образное соединение, прикрепленное к 2-дюймовому куску), которая выступает горизонтально.
Изготовление квадратной катушки:
- Снимите примерно 1 дюйм изоляции с одного конца медного провода.
- Оставьте около 1 1/2 дюйма зачищенного конца, затем отмерьте еще 10 дюймов и согните проволоку на 90 градусов. Отмерьте еще около 10 дюймов и снова согните на 90 градусов. Продолжайте процесс, пока не сформируете квадратную «катушку» со сторонами длиной 10 дюймов — у вас должно получиться три полных 4-сторонних квадратных петли плюс одна дополнительная сторона. Пусть эта последняя, или тринадцатая, сторона расширится еще на 1,5 дюйма, а затем обрежьте проволоку (у вас должно остаться около фута проволоки, которую вы можете выбросить или сохранить для другого использования). Снимите изоляцию с последнего дюйма провода. Готовая катушка показана на фотографиях выше.
- Используйте небольшие кабельные стяжки, чтобы скрепить провод в форме квадратной катушки.
Собираем все вместе:
- Поверните квадратную катушку на бок и расположите ее так, чтобы сторона с двумя зачищенными концами проходила вертикально через платформу (см. фото). Используйте большую кабельную стяжку, чтобы прикрепить катушку к подставке из ПВХ.
- Расположите циркуль по кругу на картоне, как показано на рисунке.
- Присоедините один конец зажима к каждому из зачищенных концов, но пока не присоединяйте другие концы зажима к аккумулятору.
фото). Используйте большую кабельную стяжку, чтобы прикрепить катушку к подставке из ПВХ.Действия и уведомления
Наблюдайте за стрелками компаса, когда по проводу не проходит ток. Поверните картонную платформу. Что происходит со стрелками компаса? Они будут указывать на север, ориентируясь так, чтобы быть параллельными магнитному полю Земли. (Примечание: некоторые из ваших компасов могут указывать на юг! Недорогие компасы, которые подвергаются воздействию сильного магнита, иногда намагничиваются в обратном направлении. Однако не о чем беспокоиться — просто имейте в виду, какой конец каждого компаса указывает на север. )
Теперь прикрепите зажимы к клеммам аккумулятора. Посмотрите, что происходит со стрелками компаса, когда ток проходит через катушку.
(ВНИМАНИЕ: Не оставляйте аккумулятор подключенным более чем на несколько секунд — электрический ток может быстро разрядить аккумулятор и привести к его перегреву .) Если электрический ток достаточно велик, каждый компас будет указывать на направление, касающееся окружности с центром на вертикальных проводах катушки, которые они окружают.
Снова поверните картонную платформу. Что происходит со стрелками компаса на этот раз? Компасы будут по-прежнему указывать в направлении, касательном к окружности с центром на вертикальных проводах катушки.
Переключите клеммы на другие клеммы аккумулятора. Что происходит? Стрелки компаса меняют направление, когда электрический ток меняет направление.
Что происходит?
Стрелки компаса совпадают с магнитными полями. Поскольку Земля является магнитом, компас обычно совпадает с магнитным полем Земли. Поскольку противоположные магнитные полюса притягиваются, магнитный северный полюс компаса указывает на магнитный южный полюс Земли.
(Южный магнитный полюс Земли расположен на севере Канады — это не опечатка. Действительно, южный магнитный полюс Земли находится рядом с географическим северным полюсом. Чтобы еще больше запутать ситуацию, картографы называют его северным магнитным полюсом. .)
Электрический ток, проходящий по проводу, создает магнитное поле. На вертикальной стороне катушки есть четыре провода, и ток одинаковой величины и во всех них движется в одном направлении. Таким образом, компасы воспринимают магнитное поле, создаваемое током, в четыре раза большим, чем если бы они были окружены только одним из проводов. Это позволяет использовать батарею D-элемента, а не более крупную и дорогую батарею, которая была бы необходима для получения эквивалентного тока в одном проводе.
Электрический ток, проходящий через вертикальную сторону катушки, создает магнитное поле, более сильное, чем поле Земли (в области, близкой к проводам). Вы можете визуализировать форму этого нового поля как набор концентрических кругов, окружающих вертикальные провода катушки.
Чем ближе вы к вертикальным проводам катушки, тем сильнее магнитное поле. Стрелки компаса выравниваются по общему магнитному полю в каждой точке, сумме полей Земли и поля провода. Поскольку магнитное поле от вертикальных проводов катушки значительно больше, чем от Земли, каждая игла в конечном итоге указывает по существу в направлении магнитного поля провода.
Когда вы меняете направление тока, меняется и направление магнитного поля, и стрелки послушно следуют за ним.
Дальше
Чтобы найти направление магнитного поля, создаваемого электрическим током, вы можете использовать технику, называемую правилом правой руки.
Положите правую руку большим пальцем параллельно проводу, по которому течет ток. Направьте большой палец в направлении электрического тока в проводе. (Помните: электрический ток течет от плюса батареи через провод к минусу.) Оберните пальцами провод. Теперь ваши пальцы будут указывать в направлении магнитного поля вокруг провода.
Если рядом с проводом есть циркуль, он будет указывать в том же направлении, что и ваши пальцы. (См. схему ниже; щелкните, чтобы увеличить.)
Обратите внимание, что на самом деле в проводе движутся электроны, перетекающие с отрицательной стороны батареи на положительную. Инженеры-электрики и ученые думают о «токе» как о потоке положительных зарядов, который производит тот же эффект, что и поток отрицательных зарядов в противоположном направлении.
Похожие закуски
Магнитные силовые линии
Железные опилки очерчивают силовые линии магнитного поля в трех измерениях.
Магнитное экранирование
Магнитные линии здесь заканчиваются.
Магнитный всасывающий
Дзынь-дзынь! Это расследование показывает, как работает ваш дверной звонок.
Связанные экспонаты
Круги магнетизма
Электричество, движущееся по проводу, создает круговое магнитное поле.
Эта работа находится под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.
0 International License.
Атрибуция: Педагогический институт Exploratorium
1. Что такое статические электрические и магнитные поля?
Главная » Статические поля » Уровень 2 » Вопрос 1
Уровень 2 Вопросы
Следующий вопрос
- Уровень 1: Сводка
- Уровень 2: Детали
- Уровень 3: Источник
1. Что такое статические электрические и магнитные поля?
Электрические и магнитные поля — это невидимые силовые линии, создаваемые природными явлениями, такими как магнитное поле Земли или молния, а также деятельностью человека, в основном за счет использования электричества.
- Электрическое поле — это силовое поле, создаваемое притяжением и отталкиванием электрических зарядов (причина электрического потока), и измеряется в вольтах на метр (В/м).
- Магнитное поле представляет собой силовое поле, создаваемое магнитом или вследствие движения зарядов (потока электричества). Величина (напряженность) магнитного поля обычно измеряется в Теслах (Тл или мТл).
Величина (напряженность) магнитного поля обычно измеряется в Теслах (Тл или мТл).Термин статический относится к ситуации, когда поля не меняются со временем. Статические электрические и магнитные поля представляют собой два разных явления, оба характеризуются постоянным направлением, скоростью потока и силой (таким образом, частота равна 0 Гц).
- Статическое электрическое поле (также называемое электростатическим полем) создается фиксированными в пространстве зарядами;
- Статическое магнитное поле создается магнитом или зарядами, которые движутся в виде постоянного потока (как в приборах, использующих постоянный ток).
Напротив, изменяющиеся во времени электромагнитные поля, которые меняют свое направление с постоянной частотой, создаются приборами, использующими переменный ток (AC), а также антеннами сотовых телефонов, микроволнами и т. д. В этом случае электрические и магнитные поля взаимосвязаны и оба связаны с определенной частотой.
И электрические, и магнитные поля ослабевают по мере удаления от источника. Подробнее…
(Дополнительную информацию о низкочастотных полях см. в нашем исследовании по линиям электропередач.)
Вопросы уровня 2
Следующий вопрос
- 1. Что такое статические электрические и магнитные поля?
- 2. Каковы источники статических электрических полей?
- 3. Каковы источники статических магнитных полей?
- 4. Как статические магнитные поля могут взаимодействовать с телом?
- 5. Как статические поля могут воздействовать на клетки или животных?
- 6. Как статические поля могут воздействовать на человека?
- 7. Какие риски для здоровья связаны со статическими полями?
- 8. Должны ли быть защищены население и работники от воздействия статических полей?
- 9. Какие необходимы дальнейшие исследования возможного воздействия статических полей на здоровье?
- 10. Заключение (только на уровне 1)
ГлоссарийСсылкиО
Рассмотренные темы
Публикации от А до Я
Присоединяйтесь!
Этот обзор бесплатный и не содержит рекламы, как и весь наш контент.
