Основные параметры магнитного поля
Параметры магнитного поля
Пространство, где проявляется действие магнитных сил. Графически магнитное поле изображается магнитными силовыми линиями направленными от северного полюса к южному.
Магнитное поле в проводниках с электрическим током
Если по проводнику протекает ток, то вокруг проводника создаётся магнитное поле направление которого определяется по правилу Буравчика.
Соленоид – проводник, свёрнутый в спираль.
Если по соленоиду протекает постоянный ток, то он ведёт себя как обыкновенный магнит, на его торцах образуется северный и южный полюс.
Намагничивающая сила соленоида прямо пропорционально ампер – витков.
Ф = К × I × W
Ф – намагничивание
В радиотехнике применяются соленоиды с сердечниками для увеличения интенсивности магнитного поля.
Ф = К × I × W × µ
µ – магнитная проницаемость
Параметры магнитного поля
В )Магнитная индукция, характеризует интенсивность магнитного поля, численно определяемая величиной приложенной силы, с которой она действует на проводник длинной в 1 метр и при этом по проводнику протекает ток в 1А.
Размерность 1Тл (тесла)
Магнитный поток Ф
Количество силовых линий приходится на данную площадь
Ф = B × S 1Вб (Вебер)
Напряжённость магнитного поля (Н)
| Н = | Σ × I l |
Н – 1 | A M |
Н – это отношение полного тока пронизывающего данную поверхность к длине магнитной силовой линии.
Магнитная проницаемость (µ) – она показывает , во сколько раз магнитное поле в данном веществе больше или меньше проницаемости в вакууме.
µ (раз)
µ > 1– парамагнитные материалыµ – диамагнитные материалыµ >> 1– ферромагнитные материалы
Намагничивание ферромагнитного материала
В ферромагнитном сердечнике находится малые по объёму
B = f(Н)
Из графика видно с увеличением Н растёт магнитная индукция.
При некотором значении Н, B наибольшая, наступает магнитное насыщение.
Перемагничивание ферромагнитного материала
Кривая 0,A,B,C,D,F,E обозначает процесс перемагничивания ферромагнитного материала, из графика видно что между A и B имеется некоторое отставание, так называемый
В зависимости от вида петли гистерезиса, различают магнитные материалы.
Магнитомягкие материалы, – петля гистерезиса узкая магнитная индукция малой величины, такие материалы работают в качестве сердечников трансформаторов и дросселей в цепях переменного тока.
Магнитотвердые материалы – магнитная индукция значительной величины, из таких материалов выполняют постоянные магниты.
В радиотехнике применяют также ферриты с прямой петлёй гистерезиса.
Проводник с током в магнитном поле
Если по проводнику протекает ток, то вокруг него возникает магнитное поле которое взаимодействует с внешним магнитным полем. И в результате проводник какбы выталкивается из магнитного поля.
Такое явление применяется в электродвигателях, тестерах и т.д.
Электрон в магнитном поле (кинескопа)
Если электрон движется в магнитном поле то его собственное магнитное поле взаимодействует с магнитным полем отклоняющей системы (ОС) и в результате траектория электрона изменяется.
Ученые выяснили, что человек способен реагировать на изменения магнитного поля Земли — Наука
ЛОНДОН, 19 марта. /ТАСС/. Человек обладает способностью ощущать магнитное поле Земли. К такому выводу пришла международная группа ученых в результате проведенного ими исследования, о результатах которого сообщает газета The Guardian.
Издание отмечает, что многим представителям животного мира, включая птиц, летучих мышей, собак, черепах и китов, присуща магниторецепция — чувство, дающее организму возможность реагировать на изменения магнитного поля Земли. Именно благодаря этой способности живые существа могут ориентироваться и перемещаться в пространстве. До недавнего времени считалось, что лишь представители фауны воспринимают магнитное поле, однако специалисты из Калифорнийского технологического института (США) в сотрудничестве с коллегами из Японии обнаружили, что магниторецепция в определенной степени присуща и человеку.
В эксперименте приняли участие несколько десятков человек. Ученые создали специальную испытательную камеру, представляющую собой шестигранную конструкцию со звукоизоляцией, стенки которой сделаны из алюминия для защиты от различных электромагнитных помех. На них ученые поместили катушки, через которые пропускали электрический ток для создания магнитного поля примерно той же величины, что и у поверхности Земли. Всех добровольцев просили войти в это темное помещение и сесть на деревянный стул, расположенный внутри, повернувшись на север.
Исследователи включали источники магнитного поля и перемещали их по установке, наблюдая за изменениями амплитуды колебаний головного мозга испытуемых, основываясь на данных электроэнцефалограммы. Результаты показали, что у большинства участников отмечалось снижение активности альфа-волн на 60%, что является свидетельством реакции головного мозга на изменения магнитного поля. Специалисты указывают, что именно этот показатель связан со способностью главного органа центральной нервной системы обрабатывать поступающую информацию.
«Мы как вид не утратили способность чувствовать магнитное поле, которой обладали наши предки [миллионы лет назад], — констатировал профессор Калифорнийского технологического института Джозеф Киршвинк. — Мы — часть магнитной биосферы Земли». Эксперты полагают, что для того, чтобы более точно сказать, какой механизм отвечает за способность человека реагировать на изменения магнитного поля Земли, необходимы дополнительные исследования. Однако, по их словам, магниторецепцию можно считать одной из составляющих центральной нервной системы.
Тема 1. Основные понятия теории электромагнитного поля и основные магнитные величины
1. Из представленных величин магнитное поле характеризуют…
1) H, B
2. Источник магнитного поля и магнитопровод из ферромагнитного материала, по которому замыкается магнитный поток …
1) магнитная система
3. Магнитные цепи бывают:
4) разветвлённые и неразветвлённые
однородные и неоднородные
симметричные и несимметричные
4. Абсолютная магнитная проницаемость:
5. Магнитной индукцией называется:
1) произведение магнитной проницаемости на напряженность магнитного поля
6. Напряженность магнитного поля:
3) отношение магнитной индукции к магнитной проницаемости
7. Вещества имеющие высокое значение магнитной проницаемости называются:
1) ферромагнетиками
8. Относительная магнитная проницаемость вакуума равна:
2) 1
9.Относительная магнитная проницаемость называется:
2) отношение абсолютной магнитной проницаемости к магнитной проницаемости вакуума
10. Железо, кобальт, никель относятся к материалам:
1) ферромагнитным
11. Если после намагничивания до состояния насыщения, убрать внешнее магнитное поле, то источником магнитного поля будет
1) остаточная намагниченность
12. Зависимость магнитной индукции в веществе от напряженности магнитного поля носит …
2) нелинейный характер
13. Однородный магнитный поток это:
1) произведение магнитной индукции на площадь поперечного сечения магнитопровода
14. Абсолютная магнитная проницаемость среды
1)
15.Магнитная индукция определяется формулой
1)
16. Магнитная напряженность среды …
1)
17. Относительная магнитная проницаемость среды
1)
18. Закон полного тока определяется формулой
1)
19. Магнитодвижущаяся сила катушки из w — витков
1)
20. Магнитным потоком Ф является величина…
1) 0,3·10-3 Вб
21. Связь магнитного потока с индукцией магнитного поля записывается в виде…
1)
Тема 2. Свойства ферромагнитных материалов. Определения, классификация, законы магнитных цепей
1.Магнитодвижущая
сила F
1) 2 А 2) 250 А 3) 125 А 4) 500 А
2. На рисунке изображена …
4) петля гистерезиса циклического перемагничивания
3. На рисунке Нс называется …
1) коэрцитивной силой
4. Величина Hc характеризует …
1) способность материала сохранять остаточную намагниченность
5. На рисунке Brхарактеризует …
1) остаточную индукцию
6. На рисунке участок ОА характеризует …
1) кривая первоначального намагничивания
7. На рисунке показано изображение …
1) семейства петель гистерезиса
8. На рисунке безгистерезисные участки АС и АС описываются …
1) предельной петлей гистерезиса
9. На рисунке петли перемагничивания с одной и той же скоростью двух различных материалов имеют …
1) потери в магнитопроводе 1 больше, чем в 2
10. Динамическая петля перемагничивания имеет вид
2)
11. Магнитодвижущая сила магнитной цепи имеет вид:
2)
12. Формула для определения магнитного потока Ф в магнитопроводе имеет вид.
1) Ф= BS
13. Магнитная индукция В в магнитопроводе при магнитном потоке Ф = 0,002 Вб и поперечном сечении S = 410 -3 м2 равна
3) 0,5 Тл
14.Магнитодвижущая сила Fм в магнитной цепи при токе в обмотке I = 2 A и числе витков w = 500 равна
1) 500 А
15. Напряженность магнитного поля в магнитопроводе при токе в обмотке I =1 A, числе витков w = 500 и длине средней линии магнитопровода l = 0,2 м равна
1) 2500 А/м
6. Точка предельной петли гистерезиса называется…
12) остаточной индукцией
17. При подключении катушки со стальным сердечником к источнику синусоидального напряжения магнитопровод…
3) циклически перемагничивается.
2.2.5 Магнитное взаимодействие
Атомно-силовой микроскоп может использоваться для исследования магнитных полей на поверхности образца. Такие методики объединяются под названием МСМ (магнитно-силовая микроскопия). В них используются специальные кантилеверы, которые покрыты магнитной пленкой. При взаимодействии с магнитным полем образца такой кантилевер отклоняется. Могут существовать следующие типы кантилеверов: диамагнитные, парамагнитные [1], суперпарамагнитные [2] и ферромагнитные (магнитожесткие [3] и магнитомягкие [4]).
Здесь мы кратко напомним об этих трех типах магнетиков, рассмотрев диамагнетизм, парамагнетизм и ферромагнетизм на феноменологическом уровне. Заинтересованных же отошлем к более серьезной литературе, например, [5, 6, 7].
Магнитные свойства вещества описываются вектором намагниченности . Его связь с напряженностью магнитного поля задается формулой [8,9]:
(1)
где – магнитная восприимчивость вещества. В свою очередь, напряженность магнитного поля связана с вектором магнитной индукции и вектором намагничивания следующим образом:
(2)
Подставляя (1) в (2), получим:
(3)
где – магнитная проницаемость вещества. Таким образом, магнитные свойства вещества описываются одним независимым параметром – или .
Диа- и парамагнетизм.
Атомы многих веществ не имеют постоянных магнитных моментов, или, вернее, все спиновые и орбитальные магнитные моменты внутри атома уравновешены так, что суммарный магнитный момент равен нулю. Если наложить магнитное поле, то внутри атома будут генерироваться слабые дополнительные токи. В соответствии с законом Ленца они будут индицироваться так, чтобы уменьшить магнитное поле, и наведенный магнитный момент атомов направлен навстречу магнитному полю. Таков механизм диамагнетизма.
Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость для диамагнетиков:
(4)
(5)
где – число атомов в единице объема, – число электронов в атоме, и – заряд и масса электрона, – скорость света, – средний квадрат расстояния электрона до ядра. Энергия теплового движения слишком мала, чтобы изменить внутреннее (квантованное) состояние атома. Поэтому для диамагнетиков и не должны зависеть от температуры. Обратим внимание, что и, тем самым, .
К диамагнетикам относятся, например, кислород, алюминий, платина, хлористое железо – , благородные газы и т.д.
Однако существуют такие вещества, атомы которых обладают магнитным моментом, спиновым или орбитальным. Таким образом, кроме диамагнитного эффекта (а он всегда присутствует) есть возможность выстраивания индивидуальных атомных моментов в одном направлении. Магнитные моменты ориентируются в направлении магнитного поля, усиливая его.
Парамагнетизм, вообще говоря, довольно слаб, потому что выстраивающие силы относительно малы по сравнению с силами теплового движения, которые стараются разрушить упорядочивание. Отсюда следует, что парамагнетизм особо чувствителен к температуре. Эффект парамагнетизма тем сильнее, чем ниже температура.
Пусть – магнитный момент атома, – магнитная индукция, – число атомов в единице объема, – константа Больцмана, – температура. Тогда для парамагнетиков в слабых полях – , когда зависимость вектора намагничивания от напряженности магнитного поля линейна, магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость равны:
(6)
(7)
Обратно пропорциональная зависимость восприимчивости от абсолютной температуры (6) носит название закона Кюри. Заметим, что для парамагнетиков и, тем самым, .
В сильных полях намагничивание приходит в состояние насыщение, когда все магнитные моменты устанавливаются параллельно полю:
(8)
Так как диамагнетизм проявляется во всех веществах, он частично или полностью компенсирует парамагнетизм за счет противоположного по знаку вклада в восприимчивость. Поэтому для материалов с атомами, имеющими магнитный момент, можно говорить лишь о преобладании диа- или парамагнитных свойств в веществе, причем их баланс зависит от температуры. К парамагнетикам относятся, например, азот, углекислота, вода, серебро, висмут и т.д.
Ферромагнетизм.
В ферромагнетиках эффект упорядочения магнитных моментов проявляется во много раз сильнее, чем в диа- и парамагнетиках. Ферромагнетизм определяется коллективным взаимодействием атомных магнитных моментов, находящимися в состоянии с нарушенной симметрией (фазовый переход второго рода) и образующих магнитные домены. Ферромагнетиками называются тела, которые могут обладать спонтанной намагниченностью, то есть намагничены уже в отсутствие магнитного поля. Типичными представителями ферромагнетиков являются переходные металлы: железо, кобальт, никель и многие их сплавы. Ферромагнетизмом обладают некоторые редкоземельные элементы (гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, туллий).
Характерной особенностью ферромагнетиков является сложная нелинейная зависимость между и или между и . Характер этой зависимости представлен на рис. 1 и 2.
Рис. 1. Зависимость намагничивания от
напряженности магнитного поля.
Рис. 2. Зависимость магнитной индукции от
напряженности магнитного поля.
По мере возрастания намагниченность сначала быстро увеличивается, а затем приходит к насыщению и остается практически постоянной: (насыщение), то есть кривая переходит в горизонтальную прямую. Магнитная индукция также растет с увеличением поля , а в состоянии насыщения , то есть кривая переходит в прямую, наклоненную под углом (если и откладывать на осях координат в одинаковом масштабе).
Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость уже зависят не только от свойств вещества и температуры, как у диа- и парамагнетиков, а являются функциями напряженности поля и, более того, определяется его историей.
Восприимчивость и проницаемость сначала возрастают с , затем проходят через максимум, и, наконец, в сильных полях, когда достигнуто насыщение, стремится к единице (рис.3), а – к нулю.
Рис. 3. Зависимость магнитной восприимчивости от напряженности магнитного поля.
Значения в максимуме у большинства ферромагнетиков при обычных температурах составляют многие сотни и тысячи единиц.
Вторая характерная особенность ферромагнетиков состоит в том, что для них зависимость от или от не однозначна, а определяется предшествующей историей намагничивания ферромагнитного образца. Это явление называется магнитным гистерезисом. Изображенная на рисунке 4 замкнутая кривая называется петлей гистерезиса, а кривая – предельной (наибольшей) петлей гистерезиса.
Рис. 4. Петля гистерезиса.
При индукция не обращается в нуль, а изображается отрезком . Ему соответствует остаточное намагничивание . С наличием такого остаточного намагничивания связано существование постоянных магнитов. Для того, чтобы размагнитить образец, надо довести кривую размагничивания до точки или . Этим точкам соответствует магнитное поле . Оно называется коэрцитивной силой ферромагнетика. Значения остаточного намагничивания и коэрцитивной силы для разных ферромагнетиков меняются в широких пределах. Для мягкого железа петля гистерезиса узкая (коэрцитивная сила мала), для стали и всех материалов, идущих на изготовление магнитов, – широкая (коэрцитивная сила велика). Например, для кобальта и его сплавов, которые используются для покрытия магнитожестких кантилеверов, характерная величина коэрцитивной силы составляет 400 эрстед. С другой стороны, магнитное поле зонда в целом ряде случаев может оказаться слишком большим, что может приводить к искажению или даже разрушению исследуемой магнитной структуры. Для этих целей используют зонды с покрытием – . Совершенно такой же характер имеет петля гистерезиса, когда по вертикальной оси откладывается не индукция , а намагничивание .
Выводы.
- Вещества по их поведению в магнитном поле подразделяют на три основных типа: диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные.
- Диамагнитные свойства проявляют все вещества. Суть эффекта – в возникновении индуцированных внутриатомных токов, которые уменьшают индукцию магнитного поля в веществе. Магнитная восприимчивость диамагнетиков отрицательна.
- Парамагнитные свойства могут проявлять вещества с атомами, имеющими магнитный момент. Магнитная восприимчивость при этом положительна и уменьшается с ростом температуры.
- Ферромагнетизм является очень сильным коллективным эффектом. Причем магнитная восприимчивость и проницаемость вещества становится неоднозначными функциями поля и зависят от его истории. Характерные ферромагнитные явления – спонтанная намагниченность и гистерезис намагниченности. Коэрцитивная сила магнитожестких кантилеверов (с кобальтовым покрытием) составляет порядка 400 эрстед, а магнитомягких (с покрытием ) – менее 10 эрстед.
Литература.
- O. Teschke, M.U. Kleinke, M.E.R. Dotto et al, J. Appl. Phys. 94, 1 (2003).
- P.F. Hopkins, J. Moreland, S.S. Malhotra et al, J. Appl. Phys. 79, 6448 (1996).
- H.J. Mamin, D. Rugar, P. Gruetter et al, Bull. Am. Phys. Soc. 35, 420 (1990).
- P. Grutter, D. Rugar, H.J. Mamin et al, Appl. Phys. Lett. 57, 1820 (1990).
- Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. I часть. – М.: Мир, 1987. – 302 с.;
Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. II часть. – М.: Мир, 1987. – 420 с. - Уайт Р.М. Квантовая теория магнетизма. – М.: Мир, 1972.
- Дорфман Я.Г. Диамагнетизм и химическая связь. – М.: Физматгиз, 1961.
- Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике: Физика сплошных сред. – М.: Мир, 1977. – 300 с.
- Сивухин Д.В. Курс общей физики: Электричество. – М.: Наука, 1983. – 687 с.
22.3 Магнитные поля и линии магнитного поля — College Physics
Говорят, что в детстве Эйнштейн был очарован компасом, возможно, размышляя о том, как стрелка ощущала силу без прямого физического контакта. Его способность глубоко и ясно мыслить о действиях на расстоянии, особенно о гравитационных, электрических и магнитных силах, позже позволила ему создать свою революционную теорию относительности. Поскольку магнитные силы действуют на расстоянии, мы определяем магнитное поле для представления магнитных сил.Графическое изображение силовых линий магнитного поля очень полезно для визуализации силы и направления магнитного поля. Как показано на рисунке 22.15, направление силовых линий магнитного поля определяется как направление, в котором указывает северный конец стрелки компаса. Магнитное поле традиционно называют полем B .
Рис. 22.15. Линии магнитного поля определяются так, чтобы они имели направление, на которое указывает маленький компас при размещении в определенном месте.(a) Если для отображения магнитного поля вокруг стержневого магнита используются небольшие компасы, они будут указывать в показанных направлениях: от северного полюса магнита к южному полюсу магнита. (Напомним, что северный магнитный полюс Земли на самом деле является южным полюсом с точки зрения определения полюсов стержневого магнита.) (B) Соединение стрелок дает непрерывные линии магнитного поля. Сила поля пропорциональна близости (или плотности) линий. (c) Если бы можно было исследовать внутреннюю часть магнита, было бы обнаружено, что силовые линии образуют непрерывные замкнутые контуры.
Маленькие компасы, используемые для проверки магнитного поля, его не побеспокоят. (Это аналогично тому, как мы тестировали электрические поля с помощью небольшого пробного заряда. В обоих случаях поля представляют только объект, создающий их, а не тестирующий их зонд.) На рисунке 22.16 показано, как магнитное поле появляется для токовой петли и длинный прямой провод, который можно исследовать с помощью небольшого компаса. Небольшой компас, помещенный в эти поля, выровняется параллельно линии поля в своем местоположении, а его северный полюс будет указывать в направлении B .Обратите внимание на символы, используемые для ввода и вывода из бумаги.
Рис. 22.16. Маленькие компасы можно использовать для картирования полей, показанных здесь. (а) Магнитное поле круговой токовой петли похоже на магнитное поле стержневого магнита. (б) Длинный и прямой провод создает поле с силовыми линиями магнитного поля, образующими кольцевые петли. (c) Когда проволока находится в плоскости бумаги, поле перпендикулярно бумаге. Обратите внимание, что символы, используемые для поля, указывающего внутрь (например, хвоста стрелки), и поля, указывающего наружу (например, наконечника стрелки).
Установление соединений: концепция поля
Поле — это способ отображения сил, окружающих любой объект, которые могут воздействовать на другой объект на расстоянии без видимой физической связи. Поле представляет объект, его генерирующий. Гравитационные поля отображают гравитационные силы, электрические поля отображают электрические силы, а магнитные поля отображают магнитные силы.
Обширные исследования магнитных полей выявили ряд жестких правил. Мы используем линии магнитного поля для представления поля (линии — это графический инструмент, а не физическая сущность сами по себе).Свойства силовых линий магнитного поля можно описать следующими правилами:
- Направление магнитного поля касается силовой линии в любой точке пространства. Маленький компас укажет направление линии поля.
- Сила поля пропорциональна близости линий. Она точно пропорциональна количеству линий на единицу площади, перпендикулярной линиям (называемой плотностью площади).
- Силовые линии магнитного поля никогда не могут пересекаться, а это означает, что поле уникально в любой точке пространства.
- Линии магнитного поля непрерывны, образуют замкнутые контуры без начала и конца. Они идут от северного полюса к южному.
Последнее свойство связано с тем, что северный и южный полюса не могут быть разделены. Это явное отличие от силовых линий электрического поля, которые начинаются и заканчиваются на положительных и отрицательных зарядах. Если бы магнитные монополи существовали, то силовые линии магнитного поля начинались бы и заканчивались на них.
Основные принципы электромагнетизма
Эта статья предоставит базовое введение в принципы электромагнетизма и электродвигателей.
Как следует из названия, электромагнетизм — это раздел физики, который фокусируется на взаимодействии между электричеством и магнетизмом. Он играет важную роль в большинстве предметов повседневной жизни. Электромагнетизм — это взаимодействие между проводниками и фиксированными магнитными полями.
Это видео дает отличный обзор магнитных полей, плотности потока и моторного эффекта.
Каковы эффекты магнетизма?
Все магниты имеют северный и южный полюсы.Подобные полюса отталкиваются, но противоположные полюса притягиваются друг к другу. Электроны в атомах магнитов вращаются вокруг ядра в основном в одном направлении, так создаются два полюса. Магнитная сила течет от северного полюса к южному полюсу магнита. Соединение северного полюса с южным полюсом другого магнита (или наоборот) заставляет все электроны вращаться в одном направлении.
В чем разница между магнитным потоком и плотностью потока?Вокруг стандартного магнита существует магнитное поле, которое дает поток магнитной энергии.Это известно как магнитный поток (Φ) и измеряется в Веберах (Вб). Магнитный поток течет от северного полюса магнита к его южному полюсу. Величина магнитного потока, протекающего через данную область, изменяется от одной точки к другой вокруг магнита. Плотность магнитного потока — это величина магнитного потока в определенной точке, измеренная под углом 90 градусов к направлению магнитного потока. Эта мера принята в Teslas (T)
. Принцип двигателя и правило левой руки ФлемингаВсякий раз, когда проводник с током находится в магнитном поле, на этот проводник создается сила.
Направление силы на проводник с током можно запомнить, используя правило левой руки Флеминга.
Правило левой руки Флеминга — самый простой способ запомнить направление движения электродвигателя. Когда ток течет через проводящий провод и к этому потоку прикладывается внешнее магнитное поле, проводящий провод испытывает силу, перпендикулярную (то есть под углом 90 градусов) как к этому полю, так и к направлению потока тока.Используя три пальца левой руки, как на схеме, можно увидеть три оси.
Большой палец = направление силы на проводник.
Указательный палец = направление потока поля.
Второй палец = направление c urrent.
На практике основное поле будет искажаться, и проводник будет выталкиваться вниз.
Это потому, что:
- Линии магнитного потока, имеющие одинаковое направление, раздвигают друг друга.
- Линии магнитного потока находятся в постоянном состоянии сжатия.
- Линии магнитного потока не пересекаются.
Сила измеряется в Ньютонах ( Н, ). Величина силы зависит от напряженности основного поля, напряженности поля, создаваемого проводником с током, и его активной длины.
Формула, которую следует запомнить:
F = B x I x L
В качестве примера проводник с током 2 А и активной длиной 0.1м находится в магнитном поле с магнитной индукцией 2,5Тл. Таким образом, сила на проводнике составляет:
.2,5 x 2 x 0,1 = 0,5 Н
Что такое принцип генератора?
Всякий раз, когда проводник движется через магнитное поле, в этом проводнике возникает наведенная ЭДС.
Что такое закон Ленца?
Мы можем использовать закон Ленца для определения направления тока, создаваемого наведенной ЭДС.Закон Ленца гласит, что индуцированная ЭДС создаст силу, противодействующую силе, создающей ее.
Например:
Направление движения и правило правой руки ФлемингаСамый простой способ запомнить направление движения электрогенератора — использовать правило правой руки Флеминга. Для генераторов необходимо использовать другую руку из-за различий между причиной и следствием в двух случаях: в двигателе электрический ток и магнитное поле существуют (причины) и приводят к силе, которая создает движение (следствие).В генераторе движение и магнитное поле существуют (причины) и приводят к созданию электрического тока (эффект).
Итак, в правиле правой руки:
Большой палец указывает в направлении движения проводника.
Указательный палец указывает направление потока магнитного поля (с севера на юг).
Второй палец показывает направление индуцированного тока ЭДС внутри проводника.
ЭДС измеряется в вольтах.Величина ЭДС зависит от силы основного поля и скорости проводника, когда он пересекает основное поле.
Формула, которую следует запомнить:
e = B x L x v
Так, например, если проводник с активной длиной 0,1 м движется через магнитное поле с плотностью потока 2,5 Тл со скоростью 5 мс-1, наведенная ЭДС в проводнике будет:
2,5 * 0,1 * 5 = 1,25 В
Что такое вращающаяся петля?
Вращающийся контур представляет собой однородное магнитное поле.Электроны текут, когда проволочная петля вращается в магнитном поле, поэтому, формируя полюса и учитывая непрерывное вращение, выходной сигнал становится синусоидальной волной.
Силы без контакта
Идея этого фокуса исследована через:
Противопоставление взглядов студентов и ученых
Ежедневный опыт студентов
Гравитация, а также электростатическое и магнитное притяжение и отталкивание представляют собой примеры из реальной жизни сил, которые один объект оказывает на другой без их контакта друг с другом.Многие дети знают о магнетизме и играют с магнитами на холодильник. Они также могли подбирать небольшие кусочки бумаги или другие предметы с помощью расчески, натирая рукав джемпера или выдергивая волосы. Они также будут знать, что вещи падают на Землю. Однако они вряд ли будут думать об этом опыте как о влиянии сил, т.е.
Студенты часто думают, что все металлы притягиваются магнитами, и что размер магнитов определяет их силу.
Исследования: Флир, Джейн и Харди (2007)
Распространенное понимание повседневной жизни, восходящее к древним временам, — это вера в то, что вещи падают на Землю, потому что это «естественно». Некоторые студенты могут использовать слово «гравитация» в этом ненаучном смысле, то есть не осознавая, что гравитация включает объекты, испытывающие силу, которая притягивает их к центру Земли.
Представления студентов о гравитации часто связаны с их представлениями о форме Земли и о направлении «вниз».Может показаться, что учащиеся думают, что Земля — это сфера, но тем не менее считают, например, что люди живут на плоском месте либо на вершине сферы, либо внутри нее.
Исследование: Nussbaum (1985)
Эта идея также рассматривается в идее фокуса. День и ночь.
Некоторые студенты думают, что гравитация действует только на тяжелые предметы. Они не связывают вес с гравитацией.
Эта идея также рассматривается в идее фокуса Сила тяжести.
Научная точка зрения
Ученые используют конструкцию «поля», чтобы объяснить, как один объект может влиять на другой, не касаясь его, даже без какой-либо субстанции между ними.Есть три примера таких полей, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни:
- Магнит окружен магнитным полем, которое толкает или притягивает другие магниты и предметы из железа, никеля или кобальта, находящиеся внутри него. (Поскольку ее внутренняя часть действует как магнит, Земля окружена магнитным полем, которое воздействует на предметы, сделанные из магнитного материала, такие как компасы).
- Заряженный объект окружен электрическим полем, которое оказывает электрические силы на другие предметы в этом поле.
- Земля окружена гравитационным полем, которое притягивает все другие объекты к своему центру.
В отличие от двух других полей, которые могут включать как притяжение, так и отталкивание, гравитация действует только посредством притяжения. Все объекты притягиваются друг к другу под действием силы тяжести, но эти притяжения слишком слабы, чтобы их можно было заметить, если только один объект не содержит огромное количество материи (материала).
Критические идеи обучения
- Некоторые объекты испытывают силы от вещей, которые их не касаются.
- Магниты можно использовать, чтобы заставить другие магниты и предметы из железа двигаться без прикосновения.
- То, что было электрически заряжено, может заставить другие предметы двигаться, не касаясь их.
- Вещи рядом с Землей падают на Землю, если их что-то не удерживает. Земля притягивает любой объект к центру Земли, не касаясь его
Изучите взаимосвязь между представлениями о силах без контакта в Карты разработки концепции — Gravity
Учащимся следует поощрять изучение эффектов магнитных и электрических сил.Основное понятие, которое следует здесь передать, состоит в том, что силы могут действовать на расстоянии без видимой субстанции между ними.
Посредством своих исследований ученики могут показать, что магниты не влияют на все металлы, но могут толкать или тянуть другие магниты и предметы из железа (и стали). Часть их исследований должна включать компасы, которые представляют собой магниты, на которые действуют магнитные силы изнутри Земли, и магниты разных размеров.
Студенты также должны изучить, какие типы материалов могут заряжаться при трении и на какие типы материалов воздействуют заряженные предметы.
Идея о том, что Земля тянет за собой предметы, затруднена для многих студентов. Исследования показывают, что полезно потратить некоторое время, помогая студентам понять, что Земля — это сфера, и что объекты, падающие «вниз», падают «к центру Земли».
«Гравитация» — это не вещь но описание типа взаимодействия между объектами. Упоминание о притяжении Земли как о «силе тяжести» Земли, а не просто о «гравитации», помогает студентам понять, что сила исходит от Земли, а не то, что называется «гравитацией».
Исследования: Gunstone, Mulhall & McKittrick (2007)
Полезная аналогия для объяснения силы тяжести Земли состоит в том, что Земля может тянуть объекты, не касаясь их, точно так же, как магнит может воздействовать на другие объекты, не касаясь их.
Учебная деятельность
Учащиеся должны провести исследования, чтобы изучить идею о том, что объекты могут испытывать силы от вещей, которые их не касаются.
Предоставьте открытую проблему для изучения в процессе игры
Учащиеся могут изучить влияние магнитов и заряженных предметов на различные типы предметов.Они могут наблюдать различные эффекты северного и южного полюсов магнита на полюса других магнитов и исследовать, влияет ли размер магнита на магнитную силу.
Сосредоточьте внимание студентов на упускаемых из виду деталях
Студенты часто имеют опыт работы с магнитами и заряженными объектами, а также множество опытов, связанных с гравитацией, но обычно не связывают эти переживания с задействованными силами. Им необходимо наблюдать изменения в движении вещей, вызываемые магнитами и заряженными предметами, такими как пластиковые ручки, и исследовать влияние магнитов.
Расскажите о существующих идеях учащихся
Анкета, посвященная представлениям учащихся о Земле и гравитации, может выявить широкий диапазон взглядов в классе. Это может быть полезным способом стимулировать дискуссии и дебаты, а также помочь сформировать дальнейшее обучение.
Содействовать размышлению над существующими идеями
Обсуждение сил, действующих на неподвижную книгу, сидящую на столе, может привести к пониманию того, что поддерживающая сила стола на книге уравновешивается силой, исходящей от Земли вниз.Рассматривая ту же книгу, когда она падает с края стола, обсуждение может теперь сосредоточиться на силе гравитации Земли, тянущей книгу вниз. См. Идею фокуса: Силы на стационарных объектах.
Расскажите о существующих идеях учащихся
Вы можете использовать вопросы, подобные приведенным ниже, чтобы исследовать альтернативные концепции ваших учеников.
| Расскажите о существующих идеях учащихся | |
|---|---|
Вопрос первый — Почему Земля плоская на первом рисунке и круглая на втором? a) Это разные Земли | |
Вопрос второй — Представьте, что Земля сделана из стекла и вы можете смотреть сквозь нее. Куда бы вы посмотрели по прямой, чтобы увидеть людей из далеких стран, таких как Китай или Индия? | |
Вопрос третий. На этом рисунке показаны несколько увеличенных людей, бросающих камни в различные места на поверхности Земли. Покажите, что происходит с каждым камнем, нарисовав линию, показывающую полный путь камня, от руки человека до того места, где он наконец останавливается. | |
Вопрос четвертый. Представьте, что туннель вырыт на всем протяжении всей Земли, от Северного полюса до Южного полюса. Представьте себе, что человек держит камень над отверстием на Северном полюсе и роняет его. Проведите линию, показывающую весь путь камня. |
Исследования: Шнейдер и Охади (199 8)
2.5: Плотность магнитного потока — Engineering LibreTexts
Плотность магнитного потока — это векторное поле, которое мы идентифицируем с помощью символа \ ({\ bf B} \ ) и в системе СИ единицы тесла (Т).Прежде чем предложить формальное определение, полезно рассмотреть более широкую концепцию магнитного поля .
Магнитные поля являются неотъемлемым свойством некоторых материалов, особенно постоянных магнитов. Основное явление, вероятно, знакомо и показано на рисунке \ (\ PageIndex {1} \). У стержневого магнита есть «полюса», обозначенные как «N» («север») и «S» («юг»). N-конец одного магнита притягивает S-конец другого магнита, но отталкивает N-конец другого магнита и так далее. Существование векторного поля очевидно, поскольку наблюдаемая сила действует на расстоянии и утверждается в определенном направлении.В случае постоянного магнита магнитное поле возникает из-за механизмов, происходящих в масштабе атомов и электронов, составляющих материал. Эти механизмы требуют некоторого дополнительного объяснения, которое мы пока отложим.
Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): свидетельство векторного поля из наблюдений силы, воспринимаемой стержневыми магнитами справа в присутствии стержневых магнитов слева. (CC BY 3.0; Ю. Цинь).Магнитные поля также появляются при наличии тока. Например, обнаружено, что катушка с проводом, по которой проходит ток, влияет на постоянные магниты (и наоборот) так же, как постоянные магниты влияют друг на друга.Это показано на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Из этого мы заключаем, что лежащий в основе механизм тот же самый, то есть векторное поле, создаваемое токонесущей катушкой, является тем же явлением, что и векторное поле, связанное с постоянным магнитом. Каким бы ни был источник, теперь мы заинтересованы в количественной оценке его поведения.
Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Доказательство того, что ток также может создавать магнитное поле. (CC BY 4.0; Ю. Цинь).Для начала рассмотрим действие магнитного поля на электрически заряженную частицу.Во-первых, представьте себе область свободного пространства без электрических или магнитных полей. Затем представьте, что появляется заряженная частица. Эта частица не будет испытывать силы. Далее появляется магнитное поле; возможно, это связано с постоянным магнитом или током поблизости. Эта ситуация показана на рисунке \ (\ PageIndex {2} \) (вверху). Тем не менее, к частице не приложена сила. Фактически, ничего не происходит, пока частица не придет в движение. На рисунке \ (\ PageIndex {3} \) (внизу) показан пример. Внезапно частица воспринимает силу.Мы скоро перейдем к деталям о направлении и величине, но основная идея теперь очевидна. Магнитное поле — это то, что прилагает силу к движущейся заряженной частице, отличную от силы, связанной с электрическим полем (фактически, в дополнение к ней).
Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): сила, воспринимаемая заряженной частицей, которая (вверху) неподвижна и (внизу) движется со скоростью \ (\ mathbf {v} = \ hat {\ mathbf {z}} v \ ), которая перпендикулярна плоскости этого документа и обращена к читателю (CC BY 4.0; Ю. Цин).Стоит отметить, что движущаяся одиночная заряженная частица представляет собой простейшую форму тока. Помните также, что для того, чтобы магнитное поле влияло на частицу, необходимо движение. Следовательно, не только ток является источником магнитного поля, магнитное поле также оказывает влияние на ток. Суммируя:
Магнитное поле описывает силу, действующую на постоянные магниты и токи в присутствии других постоянных магнитов и токов.
Итак, как мы можем количественно определить магнитное поле? Ответ из классической физики включает другое экспериментально выведенное уравнение, которое предсказывает силу как функцию заряда, скорости и векторного поля \ ({\ bf B} \), представляющего магнитное поле.Вот оно: сила, приложенная к частице, несущей заряд \ (q \), равна
.\ [\ mathbf {F} = q \ mathbf {v} \ times \ mathbf {B} \ label {m0005_eFqvB} \]
где \ ({\ bf v} \) — скорость частицы, а «\ (\ times \)» обозначает перекрестное произведение. Перекрестное произведение двух векторов находится в направлении, перпендикулярном каждому из двух векторов, поэтому сила, создаваемая магнитным полем, перпендикулярна как направлению движения, так и направлению, в котором указывает магнитное поле.
Читатель будет вправе задаться вопросом, почему сила, создаваемая магнитным полем, должна быть перпендикулярна к \ ({\ bf B} \). В таком случае, почему сила должна зависеть от \ (\ bf v \)? Это вопросы, на которые классическая физика не дает очевидных ответов. Эффективные ответы на эти вопросы требуют концепций из квантовой механики, где мы обнаруживаем, что магнитное поле является проявлением фундаментальной и метко названной электромагнитной силы .Электромагнитная сила также усиливает электрическое поле, и только ограниченная интуиция, основанная на классической физике, заставляет нас воспринимать электрические и магнитные поля как отдельные явления. Для наших настоящих целей — и для наиболее часто встречающихся инженерных приложений — нам не нужны эти концепции. Достаточно принять эту кажущуюся странность как факт и действовать соответственно.
Анализ размеров \ ref {m0005_eFqvB} показывает, что \ ({\ bf B} \) имеет единицы измерения (N \ (\ cdot \) s) / (C \ (\ cdot \) m).В системе СИ эта комбинация единиц известна как тесла (Т).
Мы называем \ ({\ bf B} \) плотностью магнитного потока , и поэтому тесла — это единица плотности магнитного потока. Здесь уместно задать вопрос: что делает это плотностью потока? Короткий ответ заключается в том, что эта терминология несколько произвольна и на самом деле даже не является общепринятой. В инженерной электромагнетике предпочтение называть \ ({\ bf B} \) «плотностью потока» объясняется тем, что мы часто обнаруживаем, что интегрируем \ ({\ bf B} \) по математической поверхности.2 \)) представляет собой описание магнитного поля, которое можно определить как решение уравнения \ ref {m0005_eFqvB}.
Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Магнитное поле стержневого магнита, иллюстрирующее силовые линии. (CC BY 4.0; Ю. Цин).При описании магнитных полей мы иногда ссылаемся на концепцию силовой линии , определяемую следующим образом:
Линия магнитного поля — это кривая в пространстве, очерченная в направлении, в котором указывает вектор магнитного поля.
Эта концепция проиллюстрирована на рисунке \ (\ PageIndex {4} \) для постоянного стержневого магнита и на рисунке \ (\ PageIndex {5} \) для токонесущей катушки.
Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Магнитное поле токонесущей катушки, иллюстрирующее силовые линии. (CC BY 4.0; Ю. Цин).Силовые линии магнитного поля примечательны по следующей причине:
Линия магнитного поля всегда образует замкнутый контур.
В некотором смысле это верно даже для силовых линий, которые кажутся прямыми (например, линии вдоль оси стержневого магнита и катушки на рисунках \ (\ PageIndex {4} \) и \ (\ PageIndex {5) } \), поскольку силовая линия, уходящая в бесконечность в одном направлении, снова появляется из бесконечности в противоположном направлении.
Авторы и авторство
Как магнитное поле просто электрическое поле с применением теории относительности?
Категория: Физика Опубликовано: 18 февраля 2016 г.
Изображение из общественного достояния, источник: Кристофер С. Бэрд
Это заблуждение. Магнитное поле — это не просто электрическое поле с примененной теорией относительности, то есть электрическое поле, рассматриваемое из неправильной системы отсчета. На самом деле магнитное поле — это фундаментальное поле, которое может существовать в определенной системе отсчета, не нуждаясь в помощи электрического поля.В более общем смысле, как электрические, так и магнитные поля являются частью одной фундаментальной единой сущности: электромагнитного поля.
Электрические и магнитные поля подчиняются ряду физических законов, называемых уравнениями Максвелла. Специальная теория относительности Эйнштейна описывает, как пространство и время меняются в зависимости от выбора инерциальной системы отсчета. Оказывается, специальная теория относительности автоматически содержится в уравнениях Максвелла. Фактически, Эйнштейн открыл специальную теорию относительности, внимательно изучив и поняв уравнения Максвелла.Следовательно, используя уравнения Максвелла в релятивистской форме, мы можем выяснить, как математически преобразовать электрические и магнитные поля из одной системы отсчета в другую. Другими словами, если я измеряю и отображаю электрические и магнитные поля в комнате, когда я неподвижно стою на земле, то, применяя преобразования релятивистской системы координат к этим выражениям поля, я знаю, как поля будут выглядеть для наблюдателя, который мчится по комнате на роликовых коньках. Экспериментально установлено, что эти электромагнитные уравнения преобразования релятивистской системы координат верны.
Если вы начнете в системе отсчета, которая имеет только электрическое поле и не имеет магнитного поля, то, когда вы сделаете релятивистское преобразование в новую систему отсчета, вы обнаружите, что присутствует и электрическое поле, и магнитное поле, как показано в этот новый кадр. Этот факт, по-видимому, подразумевает, что магнитное поле — это всего лишь электрическое поле, если смотреть из неправильной системы отсчета. Другими словами, этот факт, кажется, подразумевает, что магнитное поле на самом деле является не фундаментальной релятивистской версией электрического поля.Однако более тщательное изучение полей показывает, что этот вывод неверен.
Прежде всего, специальная теория относительности учит нас, что все инерциальные системы отсчета одинаково достоверны и одинаково фундаментальны. Если два шарика катятся друг мимо друга, то с точки зрения красного шарика красный шарик неподвижен, а синий шарик движется. С точки зрения синего шарика синий шарик неподвижен, а красный шарик движется. Обе точки зрения одинаково верны и одинаково фундаментальны.Тот факт, что два шарика видят ситуацию по-разному, не означает, что существует парадокс, что физика нарушена, или что одна точка зрения в конечном итоге более верна, чем другая. Это просто означает, что ситуация измеряется в двух разных системах отсчета. Во Вселенной нет «неправильных» систем отсчета или менее фундаментальных систем отсчета. Следовательно, магнитное поле не может быть только электрическим полем, если смотреть из неправильной системы отсчета, потому что нет неправильных систем отсчета.Поскольку существует инерциальная система отсчета, в которой магнитное поле существует без электрического поля, и поскольку каждая инерциальная система отсчета является реальной и фундаментальной, это означает, что магнитное поле реально, является фундаментальным и не обязательно вызвано электрическим поле.
Во-вторых, используя уравнения преобразования электромагнитной релятивистской системы координат, вы можете показать, что невозможно начать с чисто электрического поля (магнитное поле отсутствует) и преобразовать в систему отсчета, в которой есть чисто магнитное поле (электрическое поле отсутствует. ).Это означает, что если бы магнитное поле было только электрическим полем, если смотреть из неправильной системы отсчета, то чисто магнитные поля не существовали бы. Однако чисто магнитные поля существуют. Следовательно, магнитные поля — это больше, чем просто релятивистские электрические поля.
Правильное утверждение состоит в том, что электрические поля и магнитные поля являются фундаментальными, оба реальны, и оба являются частью одной единой сущности: электромагнитного поля. В зависимости от того, в какой системе отсчета вы находитесь, конкретное электромагнитное поле будет выглядеть более электрическим и менее магнитным или более магнитным и менее электрическим.Однако это не меняет того факта, что они оба являются фундаментальными и являются частью одного и того же единого целого. Чисто электрическое поле, рассматриваемое в одной инерциальной системе отсчета, является частично электрическим, а частично магнитным во всех других системах отсчета. Точно так же чисто магнитное поле, если смотреть в одной инерциальной системе отсчета, частично является электрическим, а частично магнитным — во всех других системах отсчета. Магнитное поле — это не просто релятивистская версия электрического поля, а электрическое поле — это не просто релятивистская версия магнитного поля.Скорее, единое электромагнитное поле является внутренне непротиворечивым релятивистским.
Обратите внимание, что в целях обсуждения я проигнорировал квантовые эффекты. Наиболее точным описанием электромагнитных полей в настоящее время являются не исходные уравнения Максвелла, а квантовая форма уравнений Максвелла, которая называется квантовой электродинамикой. Однако, поскольку квантовая электродинамика просто расширяет уравнения Максвелла, а не заменяет их, все концепции, изложенные в этой статье, остаются в силе.
Также обратите внимание, что я много использовал слово «инерционный» в этой статье. Это означает, что мы рассматриваем только системы отсчета, которые имеют плоское пространство-время, то есть системы отсчета, которые не ускоряются и не имеют большого количества гравитации. Чтобы описать неинерциальные системы отсчета, вы должны использовать общую теорию относительности Эйнштейна, которая сложнее специальной теории относительности. Однако, поскольку вывод один и тот же (электромагнитное поле едино и фундаментально), для простоты я описал эту статью в контексте инерциальных систем отсчета.
Темы: электрическое поле, электромагнетизм, магнитное, магнитное поле, магнетизм, относительность
магнитных терминов, используемых в магнитных цепях. Определение и формулы
Магнит и магнетизм Важные термины, определения и формулы
Магнитное поле или магнитная индукция (B)Магнит или электромагнит создает магнитное поле. Поле, в котором магнит притягивает или отталкивает магнитные материалы, такие как железо, сталь и т. Д.его можно определить как силу, действующую на движущийся заряд,
F = q x v x B
, где
- F = сила,
- V = скорость частиц,
- B = величина поля.
Полезно знать:
Это векторная величина, а единица магнитного поля в системе СИ — Тесла, где 1 Тесла = (Ньютон x секунда) / (кулон x метр) 10000 Гаусс. Формула для магнитного поля в СИ: B = µ ○ (H + M), а в CGS — B = H + 4π M.
Провод постоянного тока или постоянного магнита создает магнитостатическое (стационарное) поле, величина и направление которого остаются неизменными. При переменном токе или пульсирующем постоянном токе проводник создает переменное магнитное поле, которое непрерывно меняет свое направление и величину.
Также прочтите
Сила магнитного поля (H)Величина намагничивающей силы (сколько силы она имеет для намагничивания магнитных материалов, таких как железо, сталь и т. Д.) Называется силой магнитного поля, которая обозначается ( ЧАС).Он обратно пропорционален длине провода и прямо пропорционален току, проходящему по нему. В системе СИ единица измерения напряженности магнитного поля — ампер / метр (А / м), это векторная величина, а формула СИ для напряженности магнитного поля:
H = NI / 1c
, где 1c = магнитный путь в метрах.
Магнитный поток (Φ)Простыми словами, Магнитное поле x площадь, перпендикулярная магнитному полю (B), называется Магнитным потоком, который обозначается Φ или Φ м или Φ B .Или это величина магнитного поля или магнитных силовых линий, проходящих через поверхность, такую как проводящая область, пространство, воздух и т. Д. Единица измерения магнитного потока в системе СИ — Вб (Вебер). Формула для нахождения магнитного потока в системе СИ:
Φ = BAc
Где
Ac = площадь в м 2
А единица измерения и формула CGS для Магнитного потока — Максвелл (M), а Φ = BAc Ac = площадь в см 2 соответственно.
Намагничивание (M)Состояние намагничиваемого материала или процесс намагничивания магнитных материалов.Это плотность дипольных моментов постоянного магнита или электромагнита в магнитных материалах. Или магнитный момент (м) на единицу объема (v) магнитным полем называется намагниченностью. Единица намагничивания в системе СИ — ампер / метр (А / м), также это векторная величина. Формула СИ для намагничивания:
M = m / V
, где
- m = общий магнитный момент
- и V = объем в м 3 .
Единица CGS и формула намагничивания: Emu / cm 3 и M = m / V соответственно, где m = общий магнитный момент, V = объем в см 3 и EMU = электромагнитные единицы.Это также может быть определено как M = (N / V) x m → M = nm ……. (N / V) = п. Где «m» — это магнитный момент, а «n» — это плотность магнитных моментов.
Магнитная проницаемость вакуума (µ ○ )Говоря забавными словами, Пермь = Разрешение и способность — это особенность или умение что-то делать. Т.е. проницаемость (µ) — это способность материала легко намагничиваться?
Магнитная проницаемость вакуумаЭто величина сопротивления магнитному полю при формовании в вакууме.
Единица проницаемости в системе СИ — (H · м −1 ) или Ньютон на квадратный ампер (N · A −2 ). Единица СИ и формулы для магнитной проницаемости вакуума: Ньютон / Ампер 2 и µ ○ = 4πx10 -7 ≈ 1,2566370614 Гн · м −1 соответственно. Единица CGS магнитной проницаемости вакуума — 1.
Полезно знать: Противоположностью магнитной проницаемости является магнитная относительность.
Полезно знать: известное магнитное соотношение: B = µH, где µ — проницаемость, которая является скалярной величиной, B — магнитное поле, а H — сила намагничивания или напряженность магнитного поля.
Индуктивность (L)Индуктивность — это свойство проводника, катушки или провода, которое препятствует изменению тока, протекающего через них. Изменение тока, протекающего по проводнику, создает напряжение, называемое обратной ЭДС или электродвижущей силой.
Равномерность Изменение тока, протекающего через проводник или катушку, вызывает в них напряжение, которое называется самоиндуцированной ЭДС, а в любых соседних катушках или проводниках — взаимная индуктивность. В системе СИ единица индуктивности (L) — Генри «H», а формула:
L = µ ○ µN 2 Ac / 1c
Где
- N = Обороты
- Ac = Площадь в м 2
- 1c = магнитный путь в метрах
Единица измерения CGS и формула индуктивности — Генри «H» (Джозеф Генри) и L = 0.4π µN 2 Ac / 1c x10 -8 соответственно
где;
- L = индуктивность
- N = оборотов
- Ac = площадь в см 2
- 1c = магнитный путь в см.
Полезно знать : 1 H = 1 Вт / А (Один Генри = 1 Вебер на ампер)
Формула самоиндукции
L = µ ○ (N 2 xA) / л
Где:
- L = в Генри
- μ ο = проницаемость свободного пространства (4.π.10 -7 )
- N = Число витков
- A = Площадь внутреннего сердечника (π.r 2 ) в м 2
- l = длина катушки в метрах
Формула взаимной индуктивности
M = μ ο μ r N 1 N 2 A / l
Где:
- µ o = проницаемость свободного пространства (4 .π.10 -7 )
- µ r = относительная проницаемость сердечника из мягкого железа
- N = количество витков катушки
- A = площадь поперечного сечения в м 2
- l = длина катушек в метрах
Связанные сообщения:
Voltage или E.М.Ф. (В)Разница электрических потенциалов между двумя точками называется напряжением. Или работа, совершаемая на единицу заряда в статическом электрическом поле по перемещению заряда между двумя точками, поэтому уравнение принимает вид
V = W / q или E / q.
Где;
- В = напряжение
- E = энергия в джоулях
- q = заряд в кулонах
Или электрическая потенциальная энергия на единицу заряда называется напряжением.
По закону Ома напряжение = V = I x R, где I = ток в амперах и R = сопротивление в омах (Ом)
Единицей измерения напряжения в системе СИ является вольт (В) или джоуль на кулон.Где 1 В = 1 Джоуль / 1 Кулон
Формула СИ для напряжения:
В = -N dΦ / dt
Где;
- N = количество витков катушки
- dΦ = скорость изменения магнитного потока
- t = время
Полезно знать: Другие родственные слова, используемые для напряжений и ЭДС: Разница электрических потенциалов , Электрическое напряжение , Электрическое давление, разность потенциалов, Pd, ЭДС, электродвижущая сила и это скалярная величина, и это тип электрической энергии.
В следующей таблице показаны все вышеперечисленные основные термины, используемые в магнитных цепях с единицами измерения SI и CGS и формулами.
| Количество | Символ | Единица СИ | Уравнение СИ | Единица CGS | Уравнение CGS 6 | 9029 9029 Коэффициент преобразования | B | Тесла (T) | B = µ ○ (H + M) | Gauss (G) | B = H + 4π M | 1T = 10 4 G |
| Магнитное поле Прочность | H | Ампер / метр (А / м) | H = NI / 1c 1c = магнитный путь в м | Эрстед Oe | H = 0.4πNI / 1c 1c = магнитный путь в см | 1A / м = 4πx10 -3 Oe | ||||||
| Магнитный поток | Φ | Weber (Wb) | Φ = BA000 м 2 | Maxwell M | Φ = BAc Ac = площадь в см 2 | 1Wb = 10 8 M | ||||||
| Намагниченность | M / м) | M = m / V m = Общий магнитный момент, V = объем в м 3 | Emu / cm 3 Где EMU = Электромагнитные блоки | M = m / V м = общий магнитный момент, V = объем в см 3 | 1A / м = 10- 3 emu / cm 3 | |||||||
| Магнитная проницаемость вакуума | µ ○ | Ньютон / Ампер 2 | µ ○ 90 443 = 4πx10 -7 ≈ 1.2566370614 H · м −1 | 1 | — | 4πx10 -7 | ||||||
| Индуктивность | L | Ac Генри | L = µ µN 9 9047/1 Оборотов Ac = Площадь в м 2 1c = Магнитный путь в м | Генри | L = 0,4π мкН 2 Ac / 1c x10 -8 N = Оборотов Ac = Площадь в см 2 1c = магнитный путь в см | 1 | ||||||
| Напряжение или ЭДС | В | Вольт | В = — NdΦ / dt N = Оборотов | В = -10 -8 xNxdΦ / dt N = Обороты | 1 |
Ниже приводится таблица в формате изображения для справки.
Похожие сообщения:
Магнитное поле: определение и решенные примеры
Вы знакомы с концепцией электрического поля . В этой теме вы заметили, что в окружающем пространстве любой заряженной частицы сформировано свойство, которое может оказывать силу на тестируемую заряженную частицу.
Для описания этого свойства вводится понятие электрического поля $ \ vec E $, которое является векторной величиной. В пространстве вокруг магнита также есть загадочное свойство, которое может вызывать магнитные свойства в немагнитных железных объектах и притягивать или отталкивать другие магниты.
Например, когда один из полюсов стержневого магнита приближается к стрелке компаса, расположенной в направлении север-юг, стрелка начинает вращаться.
В этой ситуации, если удалить магнит, стрелка снова будет указывать в исходном направлении, которое было с севера на юг.
Этот эксперимент показывает, что пространство магнита имеет свойство. Это свойство, которое может воздействовать на крошечную стрелку компаса, называется магнитным полем и обозначается $ \ vec B $.
Магнитное поле может быть создано магнитом или произведено перемещением заряженной частицы или тока в проводе. В этом разделе мы не будем концентрироваться на создании магнитного поля. Здесь мы опишем взаимодействие движущегося заряда с внешним магнитным полем.
Магнитное поле в физике — это векторная величина, как и электрическое поле, поэтому, как и любая векторная величина, оно имеет величину и направление. Далее мы сначала имеем дело с его направлением, а затем определяем величину и единицу измерения.
Чтобы лучше понять свойства векторов, перейдите на следующую страницу:
Вектор, определения, формулы и решенные задачи
Направление магнитного поля:
Мы, вероятно, видели, что когда стрелку компаса помещают рядом с магнитом, стрелка поворачивается и указывает в определенном направлении.
Если магнит повернут в другом направлении, компас также повернется и укажет в другом направлении.
Магнитное поле, по определению, в любом месте находится вдоль стрелки компаса, и его направление определяется как от южного полюса к северному полюсу.
Другими словами, направление магнитного поля $ \ vec B $ в любой точке пространства показывает направление северного полюса стрелки компаса в этой точке.
Силовые линии магнитного поля:
Электрическое поле показано линиями электрического поля. Подобно электрическому полю, мы также можем изобразить (представить) магнитные поля с помощью силовых линий магнитного поля.
Эти линии нарисованы так, чтобы направление каждой точки магнитного поля касалось линии поля в этой точке, которую можно отследить с помощью стрелочного компаса, как показано на рисунке ниже.
Силовая линия в любом месте параллельна магнитному полю в этой точке. Плотность линий в любой точке пространства представляет собой силу магнитного поля в этой точке.
Еще одно важное замечание: поскольку направление $ \ vec B $ в каждой точке уникально, линии поля никогда не пересекаются друг с другом.
На следующем рисунке показаны силовые линии постоянного стержневого магнита. Эти линии, как правило, за пределами магнита направлены от полюсов N и к полюсам S. Внутри магнита линии проходят через полюса S к полюсам N, что противоположно направлению вне магнита.
Картины магнитного поля могут быть показаны с помощью железных опилок, насыпанных на бумагу рядом с магнитом, как показано на рисунке для различных конфигураций полюсов.
Важное примечание: , в отличие от электрических зарядов, убедительные доказательства показывают, что в природе не существует изолированных магнитных полюсов.Другими словами, магнитные полюса всегда идут парами и не могут быть изолированы.
Например, разрушение стержневого магнита приводит к получению двух полных стержневых магнитов, даже если вы продолжите это разрушение до атомного масштаба.
Магнитная сила:
Существование магнитного поля в определенной точке пространства может быть определено количественно, подобно определению электрического поля, путем измерения магнитной силы $ \ vec {F} _B $, действующей на определенную пробную частицу в этой точке.
Но эта ситуация полностью отличается от аналога электрической силы, поскольку эксперименты показывают, что магнитная сила пропорциональна скорости $ \ vec v $ пробной частицы, в отличие от электрической силы, которая может действовать на покоящуюся заряженную частицу.
В следующем разделе мы объясним дополнительную сложность, которая проявляется в магнитных силах.
Другой способ количественной оценки магнитного поля — это измерение магнитной силы на проводе, по которому проходит ток. С помощью этих двух измерений можно определить магнитное поле в каждой точке пространства.
Сила, действующая на движущуюся заряженную частицу в магнитном поле:
Экспериментально можно показать, что, когда заряженная частица $ q $ со скоростью $ \ vec v $ движется через магнитное поле $ \ vec B $ (так что ее направление движения не параллельно полю), на нее действует сила, которая как показано на рисунке, перпендикулярно направлениям как $ \ vec v $, так и $ \ vec B $.Эта сила называется магнитной силой.
Эксперименты показывают, что величина силы, действующей на движущуюся заряженную частицу в магнитном поле $ \ vec B $, зависит от следующих факторов:
- Электрический заряд ($ q $): чем больше электрический заряд $ q $, тем больше магнитная сила действует на него. то есть $ F \ propto q $.
- Скорость движущегося заряда ($ \ vec v $): чем больше скорость, тем больше магнитная сила, действующая на него, т.е. $ F \ propto v $.
- Магнитное поле ($ \ vec B $): чем больше магнитное поле, тем больше силы действует на заряд i.е. $ F \ propto B $.
- Угол между магнитным полем и вектором скорости $ \ vec v $: магнитная сила, действующая на движущуюся заряженную частицу, пропорциональна $ \ sin \ theta $, то есть $ F \ propto \ sin \ theta $.
Эти экспериментальные результаты могут быть сведены в одно уравнение следующим образом: \ [F = qvB \, \ sin \ theta \]
Следовательно, в единицах СИ формула магнитной силы, действующей на заряженную движущуюся частицу, может быть переписана в векторной форме как \ [\ vec F = q \ vec v \ times \ vec B \]
Направление силы, действующей на движущийся заряд:
Направление магнитной силы, действующей на положительно заряженную частицу со скоростью $ \ vec v $ через магнитное поле $ \ vec B $, определяется по правилу правой руки следующим образом.
Укажите пальцами правой руки по направлению скорости $ \ vec v $. Заверните их в сторону магнитного поля $ \ vec B $ на меньший угол. Ваш вытянутый большой палец указывает в направлении магнитной силы или $ \ vec v \ times \ vec B $.
Сила на отрицательный заряд направлена в противоположном направлении силы на положительный заряд (поскольку векторное произведение антикоммутативно, то есть $ \ vec A \ times \ vec B = — \ vec B \ times \ vec A $) .
Альтернативное правило для определения направления $ \ vec v \ times \ vec B $: укажите пальцами правой руки в направлении $ \ vec {B} $, а большим пальцем — в направлении $ \ vec {v}. $.Ладонь показывает внешнее направление магнитной силы $ \ vec F_B $ на положительный заряд. Сила отрицательного заряда противоположна.
Вышеприведенное уравнение определяет магнитное поле $ \ vec B $ как силу, действующую на движущуюся заряженную частицу. Единица измерения величины магнитного поля в системе СИ — тесла ($ T $).
Проще говоря, когда частица с зарядом $ 1 \, \ rm C $ движется со скоростью $ 1 \, \ rm {m / s} $ перпендикулярно магнитному полю $ 1 \, \ rm T $, на нее действует сила, равная единице. ньютон: \ [\ rm {1 \, T} = 1 \, \ rm {\ frac {N} {C.м / с}} \]
По определению электрического тока, так что кулон в секунду равен одному амперу, мы имеем \ [\ rm {1 \, T} = 1 \, \ rm {\ frac {N} {A.m}} \]
Как кулон, единица измерения электрического заряда в системе СИ, тесла — очень большая единица измерения напряженности магнитного поля.
На практике величина магнитного поля в повседневной жизни колеблется от нескольких миллитесла до одного или двух тесла.
Величина магнитного поля мощных постоянных магнитов составляет от $ 0,1 \, \ rm T $ до $ 0.{-4} \, T} \]
Помните, что гаусс — это не единица СИ, поэтому при расчетах вы должны преобразовать его в тесла.
Уравнение $ \ vec F = q \ vec v \ times \ vec B $ показывает, что когда частица движется параллельно ($ \ theta = 0 $) или антипараллельно ($ \ theta = \ pi $) через магнитное поле, существует нет силы на это. 2} r \ left (- \ hat r \ right) \], где $ \ hat r $ — единичный вектор по радиусу и к центру круга, а $ r $ — радиус круга.{-3} \, \ rm {mT} \ end {align *} Используя правило правой руки, определите направление скорости по кругу следующим образом: Положите пальцы правой руки против часовой стрелки по кругу и согните их в страницу, большой палец указывает в радиальном направлении, которое действительно является направлением магнитной силы. Таким образом, протон движется по пути против часовой стрелки.
Есть хорошая страница о единичных векторах, обратитесь к ней, чтобы понять больше
Единичные векторы: определение, формула и решенные примеры
Движение заряженной частицы в электрическом и магнитном полях:
Если заряженная частица помещена в область пространства, содержащую как электрическое, так и магнитное поля, на нее действуют две силы, магнитная и электрическая, которая называется силой Лоренца и определяется выражением \ [\ vec F = q \ left (\ vec E + \ vec v \ times \ vec B \ right) \]
Поскольку магнитная сила всегда перпендикулярна скорости $ \ vec v $, она не может изменять величину скорости, а только ее направление.Следовательно, при движении заряженной частицы в присутствии электрического и магнитного полей на частицу действует только электрическое поле.
Пример (5): показать, что кинетическая энергия частицы в магнитном поле постоянна.
Решение :
постоянство величины означает, что ее темп времени равен нулю. Скорость изменения энергии во времени называется мощностью $ P $. Напомним, что мощность частицы со скоростью $ \ vec v $ под действием силы $ \ vec F $ равна $ P = \ vec F \ cdot \ vec v $.\ circ $.
Пример (6): на странице присутствует однородное магнитное поле $ \ vec B $. Если частица с зарядом $ q $ и массой $ m $ входит в эту область перпендикулярно магнитному полю $ \ vec B $, каков путь движения?
Решение:
В тот момент, когда частица входит в поле, на нее действует перпендикулярная сила, в этот момент частица в ответ на магнитную силу меняет направление своей скорости, но мы знаем, что магнитная сила всегда остается перпендикулярной направлению движения. скорость.{2}} {r} \ quad \ Rightarrow \ quad r = \ frac {mv} {qB} \ end {gather *} Период движения равен длине окружности, деленной на скорость частицы \ [T = \ frac {2 \ pi r} {v} = \ frac {2 \ pi m} {qB} \] Угловая скорость движения, которая называется циклотронной частотой, поскольку заряженные частицы циркулируют в особом типе ускоритель, называемый циклотроном на этой частоте, получается как
\ [\ omega = \ frac vr = \ frac {qB} {m} \]
Пример (7): в предыдущем примере, если начальная скорость частицы не перпендикулярна магнитному полю $ \ vec B = B \, \ hat k $, найти путь движения частицы.(Проблема спирального пути)
Решение :
Пусть магнитное поле направлено вдоль направления $ z $, а заряженная частица входит в область в точке $ A $ на плоскости $ x-y $. Пусть скорость частицы лежит в плоскости $ yz $ и составляет угол $ \ theta $ с осью $ z $. Таким образом, его разложение по направлениям $ y $ и $ z $, как показано на рисунке, составляет
\ [\ vec v = v_0 \, \ cos \ theta \, \ hat k + v_0 \, \ sin \ theta \, \ hat y \]
Где $ v_0 $ — начальная скорость частицы в момент входа в поле.Следовательно, величина магнитной силы, действующей на частицу, равна
\ begin {align *} \ vec F_B & = q \ vec v \ times \ vec B \\ & = q \ left (v_0 \, \ cos \ theta \, \ шляпа k + v_0 \, \ sin \ theta \, \ hat y \ right) \ times B \, \ hat k \\ & = qv_0B \, \ left (\ cos \ theta \, \ hat k \ times \ hat k + \ sin \ theta \, \ hat y \ times \ hat k \ right) \\ & = qB \, \ underbrace {v_0 \, \ sin \ theta} _ {v _ {\ perp}} \, \ hat i \ end {align *} Где $ v _ {\ perp} $ — составляющая скорости, перпендикулярная к $ \ vec B $. Как и в предыдущем примере, эта сила может изменять только направление частицы и создает круговой путь с радиусом и периодом меньше
\ [r = \ frac {m \ left (v_0 \, \ sin \ theta \ right)} {qB} \ quad, \ quad T = \ frac {2 \ pi m} {qB} \]
Как видите, компонент скорости $ y $ вызывает циркуляцию частицы по окружности, в то время как $ z Компонента скорости, параллельная магнитному полю, без каких-либо сил, действующих на нее, равномерно движется вдоль оси $ z $ (остается постоянной). Такой путь называется винтовой с радиусом $ r $.
Следовательно, когда движущийся заряд имеет компоненты, параллельные $ v _ {\ parallel} $ и перпендикулярные $ v _ {\ perp} $ магнитному полю, его движение происходит по спиральной траектории.
Некоторые из других приложений магнитного поля представлены в концепции магнитного потока и в законе индукции Фарадея .
Автор : PhysicsExams
Последнее обновление: 01.08.2020
Ключевые слова: Магнитное поле, Силовые линии, Магнитная сила, Винтовой путь
.