HydroMuseum – Вращающееся магнитное поле
Вращающееся магнитное поле — поле, вектор магнитной индукции которого, не изменяясь по модулю, вращается с постоянной угловой скоростью.
Вращающееся магнитное поле создаётся двумя или более пульсирующими магнитными полями одинаковой частоты, но сдвинутыми друг относительно друга по фазе и в пространстве. Это явление было открыто независимо в 1882 году сербским инженером Н. Тесла и, немного позже, итальянским физиком Г. Феррарисом. Нашло применение в синхронных и асинхронных машинах.
Электрические машины переменного тока подразделяются на два основных вида: асинхронные и синхронные. Принцип действия этих машин основан на использовании вращающегося магнитного поля.
Двухполюсное
магнитное поле. В
двухполюсной машине переменного тока вращающееся поле создается при питании
трехфазным током трех катушек (фаз) I, II, III, оси которых сдвинуты одна
относительно другой в пространстве на 120° (рис. 1,а). Эти катушки расположены
на неподвижной части машины — статоре; их соединяют «звездой» или
«треугольником» и подключают к сети трехфазного переменного тока.
Рассмотрим
более подробно, как образуется вращающееся магнитное поле в двухполюсной
машине. Для этого изобразим картины магнитных полей (рис. 2), которые создаются
в различные моменты времени всеми тремя катушками I, II и III при прохождении
по ним переменных токов i1, i2 и i3. При этом
условимся считать ток в любой катушке положительным, когда он направлен от
начала к ее концу, и отрицательным, когда он направлен от конца к началу.
Начала катушек обозначены на рис. 2 буквами А, В, С, а их концы — X, Y и Z;
направления токов в сторонах катушки показаны точками и крестиками. Как видно
из графика изменения токов в катушках (рис. 1,б), в момент времени,
соответствующий ?t = 0, i
2, а), построена по правилу буравчика.
Если
поместить внутри статора 1 с катушками постоянный магнит 2, то под действием
магнитного поля, созданного катушками, он будет занимать горизонтальное
положение. Направление результирующего поля внутри статора условно показано
стрелкой.
повернется на угол 60° (рис. 2, б). Еще через 1/6 периода (t=120°) ток i1 будет все еще иметь положительное направление (см. рис. 1,б), ток i2 станет равным нулю, а ток i
Созданное катушками
магнитное поле снова изменит свое направление и магнит 2 опять повернется на
угол 60° (рис. 2,б).Продолжая рассматривать процесс прохождения токов i1, i2, i3 по катушкам обмотки статора машины и определяя направление
Рис. 1. Схема пространственного расположения катушек на статоре двухполюсного асинхронного двигателя (а) и график изменения в них тока (б)
Рис. 2. Упрощенные картины магнитных полей, создаваемых токами i1, i2 и i3 в фазах обмотки статора двухполюсного двигателя в различные моменты времени
Рис. 3. Схема включения катушек обмотки статора четырехполюсного двигателя (а) и картина возникающего магнитного поля (б)
созданного
им магнитного поля (рис. 2, г), д), е), можно легко доказать, что в течение
одного периода изменения тока магнитный поток машины, а следовательно, и
находящийся в ее поле магнит повернутся на один оборот.
Таким образом, при
питании трехфазным током трех катушек, сдвинутых одна относительно другой на
угол 120°, возникает магнитное поле, вращающееся в пространстве с постоянной
частотой вращения n
Магнитная индукция результирующего поля распределяется вдоль окружности статора и ротора по закону, близкому к синусоидальному. Это обеспечивается путем соответствующего выполнения обмотки статора: укладки проводников каждой фазы в нескольких рядом расположенных пазах, укорачивания шага обмотки и скоса пазов.
Многополюсное
магнитное поле. При
размещении на статоре шести катушек А-Х; B-Y; C-Z; А’-Х’; В’-Y’ и C’-Z’, оси
которых сдвинуты на угол 60°, и включении их, например, по схеме рис.
3, а
возникает четырехполюcное вращающееся поле. Рис. 3, б иллюстрирует картину
создаваемого катушками магнитного поля в момент времени t = 0 (см. рис. 1,б).
Четырехполюсный постоянный магнит в рассматриваемый момент времени
устанавливается, как показано на рис. 3,б. Частота вращения четырехполюсного
магнитного поля будет в 2 раза меньше, чем двухполюсного, так как за один
период изменения тока оно поворачивается на угол, равный 180°. В общем случае,
когда каждая фаза асинхронного двигателя состоит из р катушек, оси которых
сдвинуты друг от друга по окружности статора на угол (360/р)°, а оси катушек
разных фаз расположены под углами (120/р)°, возникает 2р-полюсное поле, частота
вращения которого
n1=60f1/p
При f = 50 Гц синхронная частота вращения n1 для трехфазных машин с различным числом полюсов 2р будет равна:
2p | n1 об/мин | 2p | n1 об/мин |
2 | 3000 | 8 | 750 |
4 | 1500 | 10 | 600 |
6 | 1000 | 12 | 500 |
Вращающееся
магнитное поле можно получить также с помощью двух обмоток, сдвинутых по
окружности на 90°, если пропускать по ним токи, сдвинутые по фазе на четверть
периода, т.
Постоянное магнитное поле — онлайн справочник для студентов
- Свойства магнитного поля
- Магнитное поле движимого заряда. Магнитная постоянная. Виток с током. Принцип суперпозиции
Магнитное поле это одно из разновидностей (форм) электромагнитного поля, воздействующего на движимые поля с электрозарядом или намагниченные тела в любом состоянии.
Источники магнитного поля — это постоянные электротоки, движущиеся электрозаряды, намагниченные тела и переменные электрополя. Постоянное магнитное поле исходит от постоянных токов.
Свойства магнитного поля
В прошлом, когда еще только искали ответы на вопросы, чем создаётся магнитное поле и каковы его свойства, как образуется магнитное поле и в чем его особенности, исследователи заметили интересную закономерность: в намагниченных брусках есть полюса, в зоне которых свойства проявляются с наивысшей силой.
Кроме того, было обнаружено, что два полюса совершенно разные, причем однотипные отталкиваются, а противоположные – притягиваются.
Гильберт озвучил идею о том, что существуют «магнитные заряды», а Кулон продолжил ее, проведя множество опытов и придя к заключению, что магнитное поле обладает силой, с которой поле и воздействует на заряд. Сила стала единицей измерения и основной характеристикой магнита.
Единица силы равняется усилиям, с которыми поле воздействует на заряд, принятый за единицу. Кулон высказался о различии между определенными явлениями в физике и магнетизме. Они отличаются тем, что электрические заряды поддаются разделению, в результате чего можно получить два тела с избыточным количеством положительных или отрицательных зарядов, а вот разделить полюса магнита так, чтобы в результате получились тела с разными полюсами, каждое из которых только с одним из зарядов — невозможно. Поскольку сам магнит разделить по зарядам не получается, Кулоном был сделан вывод о том, что, видимо, наличие противоположных зарядов заложено на уровне элементарных частиц.
Таким образом, было определено, что магнит – это тело, состоящее из однородного вещества, каждая частица которого — своего рода микромагнит с двумя противоположными полюсами.
Соответственно, процесс намагничивания тела — это переориентация его микромагнитов под влиянием магнитного поля извне. Под влиянием магнитных полей и с их помощью происходит взаимодействие токов.
Эрстед, ища ответ на вопрос, как обнаружить магнитное поле, определил, что оно создается только при наличии тока, активизируется током и играет роль ориентирующей силы для магнитной стрелки. Он расположил проводник с током над вращающейся магнитной стрелкой. Далее включался ток и стрелка начинала поворачиваться перпендикулярно проволоке, потом ток менялся на противоположный и стрелка переориентировалась противоположно.
Данный опыт продемонстрировал, что у магнитного поля есть направление. Поскольку направление является векторной величиной, числу направления магнитного поля дали название магнитная индукция и обозначили символом В со стрелкой над ним.
Вектор магнитной индукции аналогичен вектору напряженности для электрополя. Аналогичным для вектора смещения для магнитного поля будет вектор напряженности магнитного поля.
Воздействие магнитного поля касается только движущегося электрического заряда. Собственно, магнитное поля и образуется движущимися электрозарядами.
Магнитное поле движимого заряда. Магнитная постоянная. Виток с током. Принцип суперпозиции
Каждый проводник, пропускающий ток, порождает вокруг себя магнитное поле. Электрический ток является организованное движением электрических зарядов. В связи со всем этим можно утверждать, что любой движущийся в вакууме или среде электрический заряд инициирует создание вокруг себя электрического поля. Учитывая полученные данные и обобщив их, был найден закон, позволяющий определить значение магнитного поля.
Магнитное поле электрозаряда, если заряд движется с неизменной скоростью, рассчитывается следующим образом:
Формула магнитной индукции элемента в системе СИ:
Магнитная постоянная получила еще название магнитная проницаемость вакуума.
Чему равна магнитная постоянная? Ее численное значение обусловлено определением ампера, а также проистекает из единицы силы электротока – одной из ключевых единиц СИ.
Как узнать направление магнитного поля вокруг проводника с током, если его организовать в виде круглого витка? Если разбить виток на несколько небольших частей, то по каждой из них будет проходить ток, соответственно вокруг каждой возникнет магнитное поле, направление которого можно просчитать, исходя из того, что линии магнитного поля, окружающие каждую из получившихся частей витка, направляются изнутри витка наружу, а снаружи витка – внутрь.
Для магнитного поля работает принцип суперпозиции, который заключается в том, что если поле образуется сразу несколькими зарядами, то силы, действующие на тестовый заряд, будут равны сложению векторов, а исходя из этого напряженность системы зарядов в определенной точке поля будет равняться сумме векторов напряженности полей каждого отдельно взятого заряда.
Учитывая, что линии полей каждой отдельной зоны внутри витка направлены в одну сторону – внешнюю, то и общее магнитное поле всередине витка будет направляться в ту же сторону – внешнюю.
Если в центре витка разместить магнитную стрелку, она сможет указать направление линий магнитного поля по оси витка. Изменение тока влечет за собой изменение направления магнитных линий.
домашних заданий и упражнений — Как образовалось магнитное поле вокруг Земли?
спросил
Изменено 7 лет, 2 месяца назад
Просмотрено 755 раз
$\begingroup$
Какие факторы помогают Земле формировать вокруг себя магнитное поле и почему оно распространяется с юга на север?
- домашние задания и упражнения
- электромагнетизм
- магнитные поля
$\endgroup$
1
$\begingroup$
Внешнее ядро Земли представляет собой жидкость, состоящую из расплавленного железа, никеля, кобальта и других ферромагнитных металлов.
Эти находятся в постоянном движении. Их движение и высокая температура вместе вызывают создание магнитного поля Земли. Поскольку источник поля сам по себе динамичен, магнитное поле Земли также динамично и постоянно меняется в космологическом масштабе времени (тысячи лет). Это основная идея гидродинамической модели динамо, как указано в комментарии под вашим вопросом.
$\endgroup$
$\begingroup$
Внешнее ядро Земли в основном состоит из расплавленного железа, никеля, кобальта и других ферромагнитных металлов, находящихся в постоянном движении. С этими элементами внутри внешнего ядра и в движении они помогают создавать магнитное поле Земли. Это основная идея модели гидромагнитного динамо:
Конвекционные потоки магмы во внешнем ядре Земли, движимые тепловым потоком из внутреннего ядра, организованные в рулоны силой Кориолиса, создают циркулирующие электрические токи, которые генерируют магнитное поле.
Источник цитаты: https://en.wikipedia.org/wiki/Dynamo_theory
$\endgroup$
Зарегистрируйтесь или войдите в систему
Зарегистрируйтесь с помощью Google
Зарегистрироваться через Facebook
Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но не отображается
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но не отображается
Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie
.
Составление карты магнитного поля Земли · Границы для юных умов
Реферат
Земля имеет твердое внутреннее ядро и жидкое внешнее ядро, состоящее из железа и никеля. Металл несет электрический ток, который питается от движения жидкости. Электрический ток создает магнитное поле, которое простирается от ядра до поверхности Земли и за ее пределы. Ожидается, что магнитное поле, сформированное ядром Земли, выровняется с осью вращения, но оно немного отклоняется по причинам, которые не совсем понятны. Стрелка компаса обычно указывает не на истинный север (ось вращения Земли), а на северный магнитный полюс. Угол между истинным севером и магнитным севером в любом конкретном положении на Земле называется углом склонения. Карты угла склонения очень сложны, и из-за течения внешнего ядра положение магнитного севера со временем меняется.
Введение
Внешнее ядро Земли
Планету Земля можно разделить на четыре слоя: твердое внутреннее ядро в центре, жидкое внешнее ядро , каменистая мантия и кора на поверхности, на которой мы живем.
Ядро Земли имеет ширину около 6800 км и начинается примерно на полпути к центру планеты (рис. 1b). Он состоит примерно на девять десятых из железа и никеля [1]. Внутреннее ядро размером с Луну. Он очень горячий (> 5000 ° C) и является твердым из-за чрезвычайно высокого давления от веса материала над ним.
- Рисунок 1 — (a) Иллюстрация линий магнитного поля от простого стержневого магнита, аналогичного магнитному полю Земли.
- Как и Земля, южный полюс (обозначенный буквой «S») фактически находится в северном полушарии. (b) Ядро Земли видно в центре планеты. Каменистая мантия и кора на этом снимке прозрачны. Внешнее ядро показано оранжевым цветом, а внутреннее ядро показано более темной сферой в центре. Магнитное поле (синие линии) создается во внешнем ядре. Справа — художественный взгляд на магнитный спутник Swarm, который чувствует изменение направления компаса, когда он пролетает через магнитное поле Земли по своей орбите (серая линия).
© ESA/ATG Medialab. Рисунок 1а, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Earth’s_ Magnetic_field_pole.svg
© ESA/ATG Medialab. Рисунок 1а, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Earth’s_ Magnetic_field_pole.svgЕще дальше от самого центра Земли находится жидкое внешнее ядро размером с Марс. Металл все еще очень горячий (> 3000 ° C), но, несмотря на высокое давление, внешнее ядро на самом деле очень жидкое, поскольку тепло преодолевает воздействие давления. Внешнее ядро течет так же легко, как вода на поверхности Земли. Это означает, что металл постоянно движется и течет, как океаны. Подобно тому, что происходит, когда вы быстро размешиваете чашку чая, быстрое вращение Земли один раз в день заставляет вращаться и жидкость во внешнем ядре.
Ядро пытается охладиться. Однако скалистая мантия между ядром и поверхностью действует как одеяло, не давая ядру слишком быстро остывать. Ядро пытается найти другие способы избавиться от избыточного тепла и энергии. Один из способов сделать это — создать магнитное поле. Магнитное поле может проходить вплоть до поверхности Земли, позволяя ядру высвобождать небольшое количество энергии.
Электричество создает магнитное поле
Магнетизм и электричество физически связаны — обычно вы получаете одно при создании другого, и это также происходит в ядре. Жидкий металл ядра слишком горячий, чтобы быть постоянным магнитом, как магнит на холодильник, но это электропроводящий материал , такой как медная проволока. Подобно проводам в вашем доме, жидкое ядро несет очень большой электрический ток, который, в свою очередь, создает сильное магнитное поле.
Электричество вырабатывается из движения жидкого металла, аналогично ветряной турбине, которая вырабатывает электричество из движения лопастей. Электричество течет по экватору планеты по очень большой петле и создает сильное магнитное поле, которое выходит за пределы внешнего ядра. Магнитное поле проходит весь путь до поверхности Земли и уходит в космос.
Создает магнитное поле в форме стержневого магнита (рис. 1а). Магнитное поле распространяется в космос, образуя «пузырь», в котором находится Земля.
Этот магнитный пузырь защищает атмосферу планеты от магнитного поля Солнца, которое в противном случае разрушило бы атмосферу Земли за миллиарды лет.
Механизм создания магнитного поля Земли очень сложен и до конца не изучен учеными. Считается, что петля электрического тока в ядре не образует идеальный круг, огибающий экватор, поэтому магнитное поле на самом деле несколько «наклонено» примерно на 11° в сторону от оси вращения Земли. Сила электрического тока также меняется со временем, что приводит к изменению магнитного поля на поверхности Земли. Наконец, поток жидкого металла «увлекает» магнитное поле на запад. Сочетание всех этих различных процессов делает магнитное поле очень сложным, и трудно предсказать, как оно изменится с течением времени. Примерно четыре раза в миллион лет магнитное поле переворачивается, когда полюса «переворачиваются», хотя для этого требуются тысячи лет.
Магнитное поле на поверхности Земли
Хотя общая форма магнитного поля Земли похожа на простой стержневой магнит, если вы посмотрите на магнитное поле в деталях, оно будет намного сложнее.
Обычно стрелка компаса указывает примерно на север, но не указывает на истинный север (точку, вокруг которой вращается Земля). Угол между истинным севером и направлением, которое указывает стрелка компаса, называется склонением . Стрелка компаса указывает на место под названием 9.0079 магнитный северный полюс.
Магнитное поле очень полезно для навигации. Китайцы использовали простые компасы еще в 1100-х годах, чтобы найти направление. Первая карта была составлена Эдмундом Галлеем, прославившимся кометой Галлея, для использования кораблями, плывущими по Атлантическому океану, в 1699 году. Он понял, что магнитное поле постоянно меняется, и предположил, что в центре Земли существует слой жидкости. Северный магнитный полюс был открыт Джеймсом Клерком Россом в 1831 году в Канаде. Однако, чтобы еще больше усложнить ситуацию, магнитный северный полюс не остается на одном и том же месте, а вместо этого все время перемещается из-за потока внешнего ядра.
В настоящее время (в 2019 г.
) магнитный Северный полюс все еще находится на севере Канады, но он движется со скоростью около 50 км в год и где-то в следующем десятилетии пересечет север России. На Рисунке 2 показано расположение Северного и Южного магнитных полюсов с 1900 по 2020 год. Обратите внимание, как быстро Северный полюс сместился с 2000 года, в то время как Южный полюс по сравнению с ним не сильно сдвинулся.
- Рисунок 2 – Расположение магнитных полюсов показано каждые пять лет (красные точки) с 1900 до 2020, для магнитного Северного полюса (a) и магнитного Южного полюса (b) .
- Обратите внимание, что с 1900 года северный магнитный полюс сместился намного дальше и быстрее, чем южный магнитный полюс.
Создание карты
Теоретически составить карту магнитного поля достаточно просто. Все, что вам нужно, это устройство GPS (например, смартфон), чтобы определить ваше точное местоположение и помочь вам найти направление на истинный север.
Вам также понадобится компас. Во-первых, используйте GPS, чтобы определить направление истинного севера. Это можно сделать, вонзив в землю две палки вдоль линии постоянной долготы. Встаньте между палочками и определите угол между стрелкой компаса и линией истинного севера, которую вы провели с помощью двух палочек. Поздравляем, вы измерили склонение! Чтобы составить карту, повторите это измерение в другом месте и еще раз. Сделайте это несколько миллионов раз по всему миру, включая океаны и пустыни, и ваша работа будет завершена… по крайней мере, на несколько лет, пока магнитный Север не сдвинется с места. Очевидно, что это невозможно для человека, но возможно для спутника.
С 1999 года было осуществлено три миссии европейских спутников для проведения очень точных измерений магнитного поля Земли. На рис. 1b показано, как спутник воспринимает магнитное поле, исходящее от внешнего ядра. Текущее трио спутников, называемое Swarm, летает на высоте от 450 до 500 км над поверхностью Земли и движется со скоростью 8 км в секунду.
Им требуется около 90 минут, чтобы облететь Землю, и они совершают 15 оборотов в день. Через 4 месяца они делают достаточно измерений по всему миру, чтобы создать карту [2].
Спутниковые измерения собираются на компьютере, где математический процесс, называемый инверсией, используется для создания карты (или снимка) магнитного поля в фиксированный момент времени. На рисунке 3 показана карта угла склонения за январь 2019 года, иллюстрирующая, насколько сложным на самом деле является магнитное поле.
- Рисунок 3. Угол склонения для 2019 года (в градусах) по модели Международного эталонного геомагнитного поля (IGRF-12).
- Цвета показывают угол между магнитным севером и истинным севером. Белые области — это места, где компас указывает почти точно на север. Синие цвета показывают области, где компас указывает на запад от истинного севера, а красные цвета показывают, где компас указывает на восток от истинного севера. Вы можете увидеть очень сложную картину углов склонения по всему миру [3].
Поскольку изменение магнитного поля невозможно предсказать более чем через 10 лет, эти карты магнитного поля регулярно обновляются каждые 5 лет. Некоторые карты создаются бесплатно группой ученых со всего мира и известны как Международное геомагнитное эталонное поле или IGRF [3]. Создание хорошей карты требует больших усилий и требует нескольких месяцев работы. Последняя версия была выпущена в 2015 году, а следующая будет готова к 2020 году.
Магнитная карта на вашем смартфоне
Возможно, вы больше всего знакомы с использованием магнитного поля Земли для навигации — представьте корабли, плывущие по океану, или люди, идущие по горам. Однако, если вы когда-либо использовали карту на смартфоне, чтобы найти, куда вы хотите отправиться, то вы также использовали карту магнитного поля Земли.
Когда вы открываете приложение карты, ваше местоположение обычно отображается в виде маленькой точки со стрелкой или треугольником, указывающим направление, в котором вы смотрите.
Смартфоны используют встроенный цифровой компас для определения направления магнитного севера. Однако, поскольку карты ориентированы на истинный север, программное обеспечение телефона должно скорректировать разницу в склонении. Телефон использует ваше местоположение GPS для определения правильного угла по карте склонения, такой как IGRF. Из рисунка 3 видно, что в некоторых частях мира этот угол может достигать 45°.
Заключение
Составление карт магнитного поля Земли — сложный процесс, который необходимо повторять не реже одного раза в 5 лет, чтобы поддерживать актуальность карт. Карты могут рассказать нам о внешнем ядре Земли, и они также полезны для многих практических приложений, которые вы, вероятно, испытали, например, для навигации по городу с помощью смартфона.
Глоссарий
Внешнее ядро : ↑ Слой жидкого металла внутри Земли, начинающийся примерно на полпути к центру.
Электропроводящий материал : ↑ Материал, через который легко проходит электричество.
Склонение : ↑ Угол между магнитным севером и истинным севером.
Магнитный север : ↑ Точка на поверхности Земли, где магнитное поле направлено прямо к центру Земли.
Заявление о конфликте интересов
Автор заявляет, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Ссылки
[1] ↑ Лоури, В. 2007. Основы геофизики, 2-е изд. . Кембридж: Издательство Кембриджского университета.
[2] ↑ Olsen, N., Hulot, G., Lesur, V., Finlay, C.C., Beggan, C., Chulliat, A., et al. 2015. Модель начального поля Swarm для геомагнитного поля 2014 года. Геофиз. Рез. Письмо . 42:1092–8. дои: 10.1002/2014GL062659
[3] ↑ Thébault, E., Finlay, C.C., Beggan, C.D., Alken, P., Aubert, J.
