Магнитная сила: Магнитные силы, магнитные поля и закон Фарадея | Физика

Содержание

МАГНИТНАЯ СИЛА - это... Что такое МАГНИТНАЯ СИЛА?

МАГНИТНАЯ СИЛА
МАГНЕТИЗМ или МАГНИТНАЯ СИЛА

(ново-лат. magnetismus, от лат. magnes - магнит). 1) способность магнита или намагниченных железных тел притягивать кусочки железа. 2) животным магнетизмом называется влияние, оказываемое, при известных условиях, одним человеком на другого.

Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка.- Чудинов А.Н., 1910.

.

  • МАГНЕТИЗМ
  • МАГНЕТИЗМ ЖИВОТНЫЙ

Смотреть что такое "МАГНИТНАЯ СИЛА" в других словарях:

  • магнитная сила — сила (действия) магнитного поля — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы сила (действия) магнитного… …   Справочник технического переводчика

  • магнитная сила — электромагнитная сила; сила Ампера; пондеромоторная сила; отрасл. магнитная сила Сила, обусловленная взаимодействием магнитного поля и электрического тока и действующая на единицу объёма проводящей среды …   Политехнический терминологический толковый словарь

  • магнитная сила — magnetinė jėga statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Jėga, kuria magnetinis laukas veikia jame esančius magnetinius (di)polius, judančias elektringąsias daleles. atitikmenys: angl. magnetic force vok. magnetische Kraft, f… …   Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

  • магнитная сила — magnetinė jėga statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Magnetinių dipolių sąveikos jėga. atitikmenys: angl. magnetic force vok. magnetische Kraft, f rus. магнитная сила, f; сила магнитного поля, f pranc. force magnétique, f …   Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

  • магнитная сила — magnetinė jėga statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. magnetic force vok. magnetische Kraft, f rus. магнитная сила, f pranc. force magnétique, f …   Fizikos terminų žodynas

  • поверхностная магнитная сила — Сила, обусловленная магнитным полем и действующая на единицу поверхности материального объёма …   Политехнический терминологический толковый словарь

  • сила Ампера — электромагнитная сила; сила Ампера; пондеромоторная сила; отрасл. магнитная сила Сила, обусловленная взаимодействием магнитного поля и электрического тока и действующая на единицу объёма проводящей среды …   Политехнический терминологический толковый словарь

  • сила магнитного поля — magnetinė jėga statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Jėga, kuria magnetinis laukas veikia jame esančius magnetinius (di)polius, judančias elektringąsias daleles. atitikmenys: angl. magnetic force vok. magnetische Kraft, f… …   Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

  • сила магнитного поля — magnetinė jėga statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Magnetinių dipolių sąveikos jėga. atitikmenys: angl. magnetic force vok. magnetische Kraft, f rus. магнитная сила, f; сила магнитного поля, f pranc. force magnétique, f …   Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

  • Магнитная жёсткость — Размерность L2MT 3I 1 Единицы измерения СИ вольт СГСЭ …   Википедия


ТЕХНОЛОГИЯ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ ПРОТИВ СОЛЕОТЛОЖЕНИЯ: ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

Актуальность исследования определяется широким применением водных георесурсов в качестве рабочих тел в гидро- и теплоэнергетике, в системах теплоснабжения и охлаждения. При этом часто требуется произвести технологическую водоподготовку перед выполнением основного производственного цикла. В частности,воду требуется очищать от коллоидных, накипеобразующих и газообразных примесей. Наибольшую сложность представляет очистка воды от солей жесткости, то есть ее умягчение. Соли кальция и магния обычно выпадают на поверхностях теплообмена с образованием накипи, что приводит к резкому снижению эффективности работы теплообменного оборудования, перерасходу топлива и частым остановкам для чистки. Удаляют накипь обычно путем кислотных промывок внутренних поверхностей теплообмена или механическим способом. Все эти методы связаны с применением большого количества химических реагентов и сильно загрязняют сточные воды.Кроме того, это значительно увеличивает эксплуатационные расходы.

Цель настоящего исследования заключается в теоретическом описании электрохимических процессов, происходящих в установках с постоянными тороидальными магнитами, при пропускании потока воды с растворенными в ней солями жесткости, а также ванализе опыта практической эксплуатации таких установок. Объекты:магнитная система тороидального типа, магнитное поле, ионы солей, содержащихся в воде, установки магнитной водоочистки. Методы:тороидальная электродинамика; эксперименты по взаимодействию тороидальных электромагнитных объектов;гипотезы об электрохимических процессах, происходящих в водном потоке, протекающем вдоль оси магнитного тороида;эксперименты по проверке этих гипотез;теория, объясняющая технологию магнитной водоочистки; анализ многолетней практики эксплуатации установок «Магнуст». Результаты.Дано теоретическое объяснение технологии магнитной водоподготовки с помощью тороидальных магнитных установок. Описаны электрохимические процессы, происходящие на этапе магнитной обработки и на последующем этапе нагревания омагниченной воды. Показано, что в присутствии магнитного поля ионы разных знаков дрейфуют во взаимно противоположных направлениях. По этой причине образование гидрокарбонатов кальция и магния на поверхности нагревателя затруднено.Как следствие, не происходит и отложения карбонатов на нагреваемых поверхностях.Определена наиболее эффективная конструкция магнитной установки, ее оптимальные параметры. Приведены сведения об эксплуатации установок «Магнуст» на нескольких бытовых и производственных объектах.

Притягательная планета Интересные сведения о магнитном поле Земли: Наука и техника: Lenta.ru

В последние дни на научных информационных сайтах появилось большое количество новостей, посвященных магнитному полю Земли. Например, новость о том, что в последнее время оно существенно изменяется, или о том, что магнитное поле способствует утечке кислорода из земной атмосферы и даже про то, что вдоль линий магнитного поля ориентируются коровы на пастбищах. Что представляет собой магнитное поле и насколько важны все перечисленные новости?

Магнитное поле Земли – это область вокруг нашей планеты, где действуют магнитные силы. Вопрос о происхождении магнитного поля до сих пор окончательно не решен. Однако большинство исследователей сходятся в том, что наличием магнитного поля Земля хотя бы отчасти обязана своему ядру. Земное ядро состоит из твердой внутренней и жидкой наружной частей. Вращение Земли создает в жидком ядре постоянные течения. Как читатель может помнить из уроков физики, движение электрических зарядов приводит к появлению вокруг них магнитного поля.

Одна из самых распространенных теорий, объясняющих природу поля, - теория динамо-эффекта - предполагает, что конвективные или турбулентные движения проводящей жидкости в ядре способствуют самовозбуждению и поддержанию поля в стационарном состоянии.

Землю можно рассматривать как магнитный диполь. Его южный полюс находится на географическом Северном полюсе, а северный, соответственно, на Южном. На самом деле, географический и магнитный полюса Земли не совпадают не только по "направлению". Ось магнитного поля наклонена по отношению к оси вращения Земли на 11,6 градуса. Из-за того что разница не очень существенная, мы можем пользоваться компасом. Его стрелка точно указывает на южный магнитный полюс Земли и почти точно на Северный географический. Если бы компас был изобретен 720 тысяч лет назад, то он бы указывал и на географический и на магнитный северный полюс. Но об этом чуть ниже.

Магнитное поле защищает жителей Земли и искусственные спутники от губительного воздействия космических частиц. К таким частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра. Магнитное поле изменяет траекторию их движения, направляя частицы вдоль линий поля. Необходимость наличия магнитного поля для существования жизни сужает круг потенциально обитаемых планет (если мы исходим из предположения, что гипотетически возможные формы жизни похожи на земных обитателей).

Ученые не исключают, что часть планет земного типа не имеют металлического ядра и, соответственно, лишены магнитного поля. До сих пор считалось, что планеты, состоящие из твердых скальных пород, как и Земля, содержат три основных слоя: твердую кору, вязкую мантию и твердое или расплавленное железное ядро. В недавней работе ученые из Массачусетского технологического института предложили сразу два возможных механизма образования "скалистых" планет без ядра. Если теоретические выкладки исследователей подтвердятся наблюдениями, то формулу для расчета вероятности встретить во Вселенной гуманоидов или хотя бы что-то, напоминающее иллюстрации из учебника биологии, придется переписать.

Земляне тоже могут лишиться своей магнитной защиты. Правда, точно сказать, когда это произойдет, геофизики пока не могут. Дело в том, что магнитные полюса Земли непостоянны. Периодически они меняются местами. Не так давно исследователи установили, что Земля "помнит" о смене полюсов. Анализ таких "воспоминаний" показал, что за последние 160 миллионов лет магнитные север и юг менялись местами около 100 раз. Последний раз это событие произошло около 720 тысяч лет назад.

Смена полюсов сопровождается изменением конфигурации магнитного поля. Во время "переходного периода" на Землю проникает существенно больше космических частиц, опасных для живых организмов. Одна из гипотез, объясняющих исчезновение динозавров, утверждает, что гигантские рептилии вымерли именно во время очередной смены полюсов.

Кроме "следов" плановых мероприятий по смене полюсов исследователи заметили в магнитном поле Земли опасные подвижки. Анализ данных о его состоянии за несколько лет показал, что в последние месяцы в нем начали происходить опасные изменения. Настолько резких "движений" поля ученые не регистрировали уже очень давно. Вызывающая беспокойства исследователей зона находится в южной части Атлантического океана. "Толщина" магнитного поля в этом районе не превышает трети от "нормальной". Исследователи давно обратили внимание на эту "прореху" в магнитном поле Земли. Собранные за 150 лет данные показывают, что за этот период поле здесь ослабло на десять процентов.

На данный момент трудно сказать, чем это грозит человечеству. Одним из последствий ослабления напряженности поля может стать увеличение (пусть и незначительное) содержания кислорода в земной атмосфере. Связь между магнитным полем Земли и этим газом была установлена с помощью системы спутников Cluster – проекта Европейского космического агентства. Ученые выяснили, что магнитное поле ускоряет ионы кислорода и "выбрасывает" их в космическое пространство.

Несмотря на то, что магнитное поле нельзя увидеть, обитатели Земли хорошо его чувствуют. Перелетные птицы, например, отыскивают дорогу, ориентируясь именно на него. Существует несколько гипотез, объясняющих, как именно они ощущают поле. Одна из последних предполагает, что птицы воспринимают магнитное поле визуально. Особые белки – криптохромы – в глазах перелетных птиц способны менять свое положение под воздействием магнитного поля. Авторы теории считают, что криптохромы могут выполнять роль компаса.

Кроме птиц магнитное поле Земли вместо GPS используют морские черепахи. И, как показал анализ спутниковых фотографий, представленных в рамках проекта Google Earth, коровы. Изучив фотографии 8510 коров в 308 районах мира, ученые заключили, что эти животные предпочтительно ориентируют свои тела с севера на юг (или с юга на север). Причем "реперными точками" для коров служат не географические, а именно магнитные полюса Земли. Механизм восприятия коровами магнитного поля и причины именно такой реакции на него остаются неясными.

Кроме перечисленных замечательных свойств магнитное поле способствует появлению полярных сияний. Они возникают в результате резких изменений поля, происходящих в удаленных регионах поля.

Магнитное поле не обошли своим вниманием сторонники одной из "теорий заговора" – теории о лунной мистификации. Как уже упоминалось выше, магнитное поле защищает нас от космических частиц. "Собранные" частицы скапливаются в определенных частях поля – так называемых радиационных поясах Ван Алена. Скептики, не верящие в реальность высадок на Луну, считают, что во время пролета сквозь радиационные пояса астронавты получили бы смертельную дозу радиации.

Магнитное поле Земли - удивительное следствие законов физики, защитный щит, ориентир и создатель полярных сияний. Если бы не оно, жизнь на Земле, возможно, выглядела бы совсем иначе. В общем, если бы магнитного поля не было - его необходимо было бы придумать.

Урок 3. магнитная индукция. действие магнитного поля на проводник с током и движущуюся заряженную частицу - Физика - 11 класс

Физика, 11 класс

Урок 3. Магнитная индукция. Действие магнитного поля на проводник и движущуюся заряжённую частицу

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) магнитное поле;

2) вектор магнитной индукции, линии магнитной индукции;

3) сила Ампера, сила Лоренца;

4) правило буравчика, правило левой руки.

Глоссарий по теме

Магнитная индукция – векторная величина, характеризующая величину и направление магнитного поля.

Сила Ампера – сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током.

Сила Лоренца – сила, действующая со стороны магнитного поля на движущую частицу с зарядом.

Правило «буравчика» - правило для определения направления магнитного поля проводника с током.

Правило левой руки – правило для определения направления силы Ампера и силы Лоренца.

Соленоид – проволочная катушка.

Рамка с током – небольшой длины катушка с двумя выводами из скрученного гибкого проводника с током, способная поворачиваться вокруг оси, проходящей через диаметр катушки.

Основная и дополнительная литература по теме урока

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б.,. Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций. М.: Просвещение, 2014. – С. 3 – 20

2. А.П. Рымкевич. Сборник задач по физике. 10-11 классы. - М: Дрофа, 2009. – С.109 - 112

Основное содержание урока

Магнитное поле – особый вид материи, которая создаётся электрическим током или постоянными магнитами. Для демонстрации действия и доказательства существования магнитного поля служат магнитная стрелка, способная вращаться на оси, или небольшая рамка (или катушка) с током, подвешенная на тонких скрученных гибких проводах.

Рамка с током и магнитная стрелка под действием магнитного поля поворачиваются так, что северный полюс (синяя часть) стрелки и положительная нормаль рамки указывают направление магнитного поля.

Магнитное поле, созданное постоянным магнитом или проводником с током, занимает всё пространство в окрестности этих тел. Магнитное поле принято (удобно) изображать в виде линий, которые называются линиями магнитного поля. Магнитные линии имеют вихревой характер, т.е. линии не имеют ни начала, ни конца, т.е. замкнуты. Направление касательной в каждой точке линии совпадает с направлением вектора магнитной индукции. Поля с замкнутыми линиями называются вихревыми.

Магнитное поле характеризуется векторной величиной, называемой магнитной индукцией. Магнитная индукция характеризует «силу» и направление магнитного поля – это количественная характеристика магнитного поля.

Она обозначается символом За направление вектора магнитной индукции принимают направление от южного полюса к северному магнитной стрелки, свободно установившейся в магнитном поле.

Направление магнитного поля устанавливают с помощью вектора магнитной индукции.

Направление вектора магнитной индукции прямого провода с током определяют по правилу буравчика (или правого винта).

Правило буравчика звучит следующим образом:

если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока.

Направление магнитного поля внутри соленоида определяют по правилу правой руки.

Определим модуль вектора магнитной индукции.

Наблюдения показывают, что максимальное значение силы, действующей на проводник, прямо пропорционально силе тока, длине проводника, находящегося в магнитном поле.

F_max ~ I; F ~ Δl.

Тогда, зависимость силы от этих двух величин выглядит следующим образом

Отношение зависит только от магнитного поля и может быть принята за характеристику магнитного поля в данной точке.

Величина, численно равная отношению максимальной силы, действующей на проводник с током, на произведение силы тока и длины проводника, называется модулем вектора магнитной индукции:

Единицей измерения магнитной индукции является 1 тесла (Тл).

1Тл = 1Н/(1А∙1м).

Закон Ампера:

Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, равна произведению модуля магнитной индукции, силы тока, длины проводника и синуса угла между вектором магнитной индукции и направлением тока:

где α – угол между вектором B и направлением тока.

Направление силы Ампера определяется правилом левой руки:

Если ладонь левой руки развернуть так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 900 большой палец покажет направление силы Ампера.

Сила Ампера - сила, действующая на проводник с током со стороны магнитного поля.

Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля. Её численное значение равно произведению заряда частицы на модули скорости и магнитной индукции и синус угла меду векторами скорости и магнитной индукции:

– заряд частицы;

– скорость частицы;

B – модуль магнитной индукции;

– угол между векторами скорости частицы и магнитной индукции.

Направление силы Лоренца также определяют по правилу левой руки:

Если четыре вытянутых пальца левой руки направлены вдоль вектора скорости заряженной частицы, а вектор магнитной индукции направлен в ладонь, то отведённый на 900 большой палец покажет направление силы Лоренца. Если частица имеет заряд отрицательного знака, то направление силы Лоренца противоположно тому направлению, которое имела бы положительная частица.

Получим формулы для радиуса окружности и периода вращения частицы, которая влетает в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям магнитной индукции, применяя формулы второго закона Ньютона и центростремительного ускорения.

Согласно 2-му закону Ньютона

Отсюда

Время, за которое частица делает полный оборот (период обращения), равно:

Многим юным бывает досадно, что они не родились в старые времена, когда делались открытия. Им кажется, что теперь всё известно и никаких открытий на их долю не осталось.

Одной из нераскрытых тайн является механизм земного магнитного поля. Как же и чем вызывается магнитное поле Земли? Подумайте и может быть…

Одна из возможных гипотез.

Как известно, ядро Земли имеет высокую температуру

и высокую плотность. Судя по исследованиям, в самом центре содержится твёрдое ядро. При вращении Земли вокруг своей оси центр тяжести не совпадает с геометрическим центром из-за притяжения Солнца. В результате сместившееся из центра ядро вращаясь относительно оболочки Земли вызывает такое же движение жидкой расплавленной массы мантии, как чайная ложка, перемешивающая воду в стакане. Получается не что иное, как направленное движение зарядов. Есть электрический ток, а он, в свою очередь, создаёт магнитное поле.

Разбор тренировочных заданий

1. На рисунке изображён проводник с током, помещённый в магнитное поле. Стрелка указывает направление тока в проводнике. Вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно плоскости рисунка к нам. Как направлена сила, действующая на проводник с током?

Варианты ответов:

1. вправо →;

2. влево ←;

3. вниз ↓;

4. вверх ↑.

- точка означает, что магнитная индукция направлена на нас из глубины плоскости рисунка.

Используя правило левой руки, определяем направление силы Ампера:

Левую руку располагаем так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, 4 пальца направим вниз по направлению тока, тогда отогнутый на 900 большой палец покажет направление силы Ампера, т. е. она направлена влево.

Правильный вариант:

2. влево ←.

2. По проводнику длиной 40 см протекает ток силой 10 А. Чему равна индукция магнитного поля, в которое помещён проводник, если на проводник действует сила 8 мН?

(Ответ выразите в мТл).

3. Определите модуль силы, действующей на проводник длиной 50 см при силе тока 10 А в магнитном поле с индукцией 0,15 Тл. (Ответ выразите в мН).

4. Протон в магнитном поле с индукцией 0,01 Тл описал окружность радиусом 10 см. Найдите скорость протона. (Ответ выразите в км/с, округлив до десятков)

5. С какой скоростью влетает электрон в однородное магнитное поле (индукция 1,8 Тл) перпендикулярно к линиям индукции, если магнитное поле действует на него с силой 3,6∙10-¹² Н? Ответ выразите в км/с.

6. Электрон движется в однородном магнитном поле с индукцией 3,14мТл. Чему равен период обращения электрона? (Ответ выразите в наносекундах, округлив до целых)

2. Дано:

l = 40cм = 0,4 м,

I = 10 A,

F =8 мН = 0,008 Н.

Найти: B

Решение:

Запишем формулу модуля магнитной индукции:

Делаем расчёт:

B = 0,008 Н / ( 0,4м·10 A) = 0,002 Tл = 2 мTл.

Ответ: 2 мTл.

3. Дано:

l = 50 cм = 0,5 м,

I = 10 A,

B = 0,l5 Tл.

Найти: F

Решение:

Запишем формулу силы Ампера:

Делаем расчёт:

F = 0,l5 Tл· 10 A· 0,5 м = 0,75 Н = 750 мН

Ответ: 750 мН.

4. Дано:

B = 0,0l Tл,

r = l0 cм = 0,l м.

Найти: v

Решение:

Заряд протона равен: q₀ = l,6·l0⁻ˡ⁹ Кл,

масса протона: m = l,67·l0⁻²⁷ кг.

Согласно 2-му закону Ньютона:

Отсюда следует:

Делаем расчёт:

v = ( l,6·l0⁻ˡ⁹ Кл·0,l м·0,0l Tл) / l,67·l0⁻²⁷ кг ≈ 0,00096·l0⁸ м/с ≈ l00 км/с.

Ответ: v ≈ l00 км/с.

5. Дано:

B = l,8 Tл,

F = 3,6·l0⁻¹² Н,

α = 90°.

Найти:

Решение:

Заряд электрона равен: q₀ = l,6·l0⁻ˡ⁹ Кл.

Используем формулу силы Лоренца:

.

Выразим из формулы силы скорость, учитывая, что sin90°=l,

Делаем расчёт:

v = 3,6·l0⁻¹² Н / (l,6·l0⁻ˡ⁹ Кл· l,8 Tл) = l,25·l0⁷м/с = l2500 км/с.

Ответ: v = l2500 км/с.

6. Дано:

B = 3,l4 мТл = 3,l4·l0⁻³ Tл,

q₀ = l,6·l0⁻ˡ⁹ Кл,

Найти: Т

Решение:

Масса электрона равна: m = 9,l·l0⁻³¹ кг.

Время, за которое частица делает полный оборот (период обращения), равно:

Делаем расчёт:

T = 2·3,l4·9,l·l0⁻³¹ кг/( l,6·l0⁻ˡ⁹ Кл·3,l4·l0⁻³ Tл) = ll,375·l0⁻⁹ с ≈ ll нс.

Ответ: T ≈ ll нс.

Сила и слабость постоянных магнитов - Энергетика и промышленность России - № 7 (59) июль 2005 года - WWW.EPRUSSIA.RU

Газета "Энергетика и промышленность России" | № 7 (59) июль 2005 года

Поскольку электрический ток (его свойства) – следствие движения электрических зарядов, а последние перемещаются относительно других неподвижных зарядов, возникают различные электрические взаимодействия. Что же следует понимать под «чистым» электрическим током?

Чистым или нейтральным током можно, по всей видимости, назвать ситуацию, когда имеются условно удаленные от других заряды, состоящие из равного количества отрицательно и положительно заряженных частиц, одни из которых двигаются относительно других в преобладающем направлении. Именно взаимное движение зарядов противоположного знака друг относительно друга – и есть нейтральный ток. Другие варианты движения зарядов, допустим, с преобладанием зарядов одного знака, будут в своем роде производными от нейтрального тока и соответственно иметь некоторые особенности электрических взаимодействий.

Во многих ситуациях мы имеем дело далеко не с нейтральными токами, поскольку существуют как неравномерное распределение зарядов по длине проводников с током, так и скачки напряженности электрического поля на некоторых границах проводников (наличие вызывающего ток ЭДС и т. п.). Поэтому для изучения свойств нейтрального тока следует пользоваться либо кольцевым сверхпроводником с током, либо постоянными магнитами, которые в данном случае условно можно рассматривать как систему с кольцевым нейтральным током.

Кольцевые токи магнитов

Рассматривая постоянные магниты, как кольцевые нейтральные токи, можно сделать некоторые общие замечания. Электрический кольцевой ток поддерживается без внешней подпитки достаточно длительное время. Процесс протекания нейтрального тока не сопровождается тепловыделением или электромагнитными излучениями (просто поддерживается тепловой баланс с окружающей средой и телом постоянного магнита).

Несмотря на то что «магнитные» нейтральные кольцевые токи, будем считать, постоянны по величине, при взаимодействии магнитов между собой возникают ситуации, когда возможны как некоторые переходные процессы, так и взаимное влияние токов друг на друга. Другими словами, возникает явление электрической взаимной индукции.

Взаимная индукция двух контуров с током при наличии магнитной связи достаточно подробно описана в литературе. Известно, что энергия двух контуров с током, обладающих магнитной связью, отличается от суммы собственных энергий токов на величину взаимной энергии двух токов. Распространяя это правило на взаимодействие постоянных магнитов, можно сказать, что энергия системы магнитов отличается от суммарной энергии каждого магнита. Это понятно, поскольку при сближении или удалении магнитов происходит механическая работа.

Но так ли постоянны по величине эквивалентные круговые токи постоянных магнитов? Действительно, они представляют, упрощенно, сумму огромного числа элементарных молекулярных токов. Но в отличие от прочих материальных тел постоянный магнит имеет внешнее и внутреннее магнитное поле, которое «связывает» все элементарные токи, и каждый круговой ток реагирует на колебания остальных, как и они в свою очередь на его колебания. Другими словами, в постоянном магните все элементарные токи представляют как бы единый «организм», что и делает его собственно постоянным магнитом. Если разрушить данный «организм» и каждый элементарный ток начнет независимое «существование», магнитные свойства у данного объекта пропадают.

Вращение – залог эффективности

В группе из трех магнитов средний магнит «модулирует» суммарное магнитное поле всех трех магнитов. Причем максимум плотности смещается в одну сторону, а с противоположной стороны магнитное поле практически отсутствует. При изменении магнитной силы среднего магнита происходит плавное изменение суммарного поля, причем плотность магнитного потока как бы перемещается на другую сторону.

Что в конечном итоге это дает? Поскольку средний магнит можно просто вращать, будет происходить и перемещение максимума плотности суммарного магнитного потока по кругу, равное частоте вращения среднего магнита. Другими словами, один средний магнит может управлять суммарным полем, которое складывается из силы трех магнитов. Причем при вращении среднего магнита не происходит изменения суммарной энергии магнитного поля, т. е. вращение среднего магнита происходит без затрат энергии.

Вращающийся или меняющий свое направление максимум магнитного потока можно использовать в различных устройствах – начиная от простейших вариантов насосов и заканчивая двигателями или генераторами. Все устройства будут отличаться высокой эффективностью и низким энергопотреблением.

Конечно, вращение среднего постоянного магнита – не единственный вариант практического использования группы из трех постоянных магнитов в генераторах или двигателях. Данный средний магнит можно заменить на электромагнит, через обмотку которого пропускают переменный ток различной формы (в зависимости от назначения или конструкции).

Наибольший интерес представляет использование этого эффекта в двух видах двигателей: с линейным возвратно-поступательным движением и вращательных. Момент вращения таких двигателей может достигать значительных величин при относительно небольших рабочих оборотах.

Где можно использовать постоянные магниты?

Одной из особенностей двигателей с активным использованием постоянных магнитов является возможность использования электрического резонанса. Поскольку управляющий электромагнит периодически меняет полярность, т. е. питается переменным током, от частоты которого зависят обороты (в случае вращательного двигателя) в соотношении 1 / К, где К – число полюсов, электромагниты можно включить в состав колебательного контура с емкостью. Соединение электромагнитов может быть последовательное, параллельное или комбинированное, а емкость подбирается по резонансу на рабочей частоте двигателя, при этом среднее значение тока, проходящего через электромагниты, будет большим, а внешняя подпитка по току будет компенсировать в основном активные потери.

Данный режим работы будет наиболее привлекательным с точки зрения экономичности, а двигатель, в котором он используется, будет называться магнитно-резонансный шаговый. Обороты двигателя в этом случае практически не зависят от нагрузки и определяются частотой электрического резонанса, разделенного на число полюсов, несмотря на увеличение потребляемого тока при увеличении нагрузки. С целью повышения рабочих оборотов возможно применение многофазных схем питания электромагнитов двигателей. Среднее ожидаемое снижение потребляемой электрической энергии данными магнитно-резонансными шаговыми двигателями может достигать 60‑75 % по сравнению с обычными электрическими двигателями. Подобные двигатели отличаются большим моментом вращения, достаточно жесткой нагрузочной характеристикой, стабильной частотой вращения, высокой надежностью (якорь не имеет токонесущих элементов), отсутствием подвижных контактов и искрения и т. п., поэтому область их применения будет иметь свои особенности.

Несмотря на это, они могут превосходить по некоторым параметрам как трехфазные асинхронные и синхронные машины, так и коллекторные двигатели постоянного тока. Одно из основных преимуществ – низкое энергопотребление.

Генератор с повышенным КПД

Применение постоянных магнитов эффективно, например, в конструкции электрического генератора с неподвижным ротором. Достоинство подобных генераторов – отсутствие подвижных частей, высокая надежность, экономичность, простота конструкции. Применение магнитных материалов с особыми свойствами позволит получить еще большую экономичность. Среднее сокращение энергозатрат при производстве электроэнергии на генераторах такого типа может достигать 50% и более.

В основе их конструкции лежит принцип модуляции суммарного магнитного поля трех постоянных магнитов средним магнитом, в качестве которого выступает электромагнит. Применение постоянных магнитов позволяет достичь снижения энергетических затрат при генерации электрической энергии.

Магнитная система данного генератора представляет в общем виде «крест в кольце», где одна из перекладин креста представляет собой постоянные магниты, а другая – электромагнит управления, катушка которого может быть разбита на две части или использоваться в виде единой катушки. Кольцо представляет собой магнитопровод с низкими потерями на вихревые токи, на котором располагаются 4 рабочие обмотки (выходные обмотки), соединение которых осуществляется попарно. Выходное напряжение имеет удвоенную частоту по отношению к частоте тока, питающего электромагнит управления.

Если при работе обычного генератора (с вращающимся ротором) неизменный магнитный поток ротора (постоянные магниты или электромагнит), вращаясь от приводного внешнего двигателя, периодически изменяет магнитный поток в статорных обмотках, то увеличиваются механические затраты со стороны приводного двигателя.

В случае с неподвижным ротором отсутствуют потери на трение и противодействующий вращательный момент приводного двигателя. По сути это особый вид трансформаторного преобразователя с дополнительной подпиткой от магнитного поля постоянных магнитов. В процессе преобразования входного переменного тока происходит удвоение частоты выходного тока. Поскольку магнитное поле постоянных магнитов не меняет своего направления – происходит лишь периодическое перераспределение его по секторам кольца ‑то оно активно работает, вкладывая свой «вклад» в генерацию ЭДС.

Магнитный поток управляющей или первичной обмотки электромагнита меняет знак, т. е. происходит процесс, аналогичный процессу простого трансформатора. КПД трансформаторного преобразования достаточно велик. Другими словами, мы получаем трансформатор-удвоитель частоты с повышенным КПД.

Что в конечном итоге это дает? Получается, что входная мощность как минимум меньше выходной. Превышение выходной мощности над входной происходит за счет энергии постоянных магнитов, которые, в отличие от привычной схемы генерации, неподвижны.

Дополнительные возможности данного генератора можно получить, применив для кольцевого сердечника статора магнитные материалы с особыми свойствами.
К недостаткам устройства можно отнести следующее: удвоение частоты выходного напряжения, некоторую сложность изготовления магнитопроводов и обмоток, необходимость компенсационных обмоток для задания необходимой нагрузочной характеристики. Максимальная мощность определяется в основном энергией применяемых постоянных магнитов, от которых зависят все остальные параметры.

Для создания трехфазного тока можно применить либо 3 подобных преобразователя (питание управляющих обмоток синхронизировано), либо аналогичную конструкцию, изготовленную в трехфазном варианте.

Характеристики неодимовых магнитов

Данную статью мы написали, чтобы дать ответ на вопрос о классах магнитов, их стандартах, физических характеристиках.

Несмотря на то, что предлагаемые нами магниты называются неодимовыми, они могут очень сильно отличаться друг от друга, ведь у каждого магнита есть свои физические характеристики, а не только размеры, форма и покрытие. Поэтому вопрос, какие именно неодимовые магниты Вас интересуют, не должен ставить Вас в тупик. В этой статье Вы получите ответы на многие свои вопросы.

Что обозначают буквы и цифры в классах неодимовых магнитов?

Зачастую, мы, как производители и продавцы, хотим услышать технические характеристики магнита, а именно буквы и цифры, в которых они (технические характеристики) зашифрованы. А покупатель зачастую досконально знает свою область применения магнитов, но номенклатуру, тем более международную, не знает.
Итак, начинаем разбираться с международной номенклатурой магнитов, а именно классами, техническими характеристиками и обозначениями.

В первую очередь, неодимовые магниты делят на классы, которые обозначаются буквами и числами (например, N35), в которых и заложена основная информация о магните.  Ниже приведена стандартная номенклатурная таблица характеристик неодимовых магнитов (смотрите в левый столбик – там указаны классы).

 В таблице все численные величины мы представили в двух единицах измерения. Первая, без скобочек, – это величина измерения в системе СИ (эта та система, в которой работает наша страна),  а вторая (указана в скобках), – это измерения в международной  системе СГСЕ (европейские стандарты). Для  Вашего удобства мы решили указать в таблице обе единицы измерения.

Таблица характеристик неодимовых магнитов

Начинаем изучать таблицу справа налево. Как Вы можете увидеть по правому столбику таблицы, основное классовое отличие магнитов – это их рабочая температура использования, то есть та допустимая максимальная температура, превышая которую магнит начинает терять свои магнитные свойства. Таким образом, на температурный диапазон использования магнита указывает буквенная часть его маркировки (левый столбец). Дадим расшифровку этих букв:

  • Магниты марки N (Normal)– могут применяться при нормальных температурах, то есть до 80 градусов Цельсия;
  • Магниты марки M (Medium) – могут применяться при повышенных температурах, то есть до 100 градусов Цельсия;
  • Магниты марки H (High) – могут применяться при высоких температурах, до 120 градусов Цельсия;
  • Магниты марки SH (Super High) – могут применяться при температурах до 150 градусов Цельсия;
  • Магниты марки UH (Ultra High) – могут применяться при температурах до 180 градусов Цельсия;
  • Магниты марки EH (Extra High) – могут применяться при температурах до 200 градусов Цельсия.

Стоит оговориться, что отрицательные температуры не оказывают влияния на магнитные свойства для большинства магнитов.

Цифры, указанные в обозначении класса магнитов: N30, 33M, 35H, 38SH, 40UH и т.д., указывают на Магнитную Энергию (четвертый столбец таблицы), измеряется в килоДжоуль на кубический метр. Этот критерий магнитов отвечает за их мощность или, так называемое, «усилие на отрыв», то есть сила, которую необходимо приложить к магниту, чтобы его «оторвать» от поверхности. Необходимо понимать, что поверхность (стальной лист) должен быть идеально ровным, а приложенная сила должна быть перпендикулярной к листу. Это, так называемые, идеальные или теоритические условия. Совершенно понятно, что чем выше цифровое обозначение магнита, тем выше его усилие на отрыв.

Сила на отрыв магнита

Но, кроме того, «сила на отрыв» зависит не только от физических характеристик магнита, но и от его размера и веса. Например, магнит 25*20 мм легче оторвать от стального листа, чем магнит 40*5 мм, так как площадь соприкосновения у второго магнита больше (25 мм против 40мм). Но линии магнитного поля, если их визуализировать, распространяются у первого магнита (25*20 мм) «дальше», значит, и «цепляется» за стальной лист он лучше.

Класс

Остаточная магнитная индукция, миллиТесла (КилоГаусс)

Коэрцитивная сила, КилоАмпер/метр (КилоЭрстед)

Магнитная энергия, килоДжоуль/м3 (МегаГаусс-Эрстед)

Рабочая температура, градус Цельсия

N35

1170-1220 (11,7-12,2)

≥955 (≥12)

263-287 (33-36)

80

N38

1220-1250 (12,2-12,5)

≥955 (≥12)

287-310 (36-39)

80

N40

1250-1280 (12,5-12,8)

≥955 (≥12)

302-326 (38-41)

80

N42

1280-1320 (12,8-13,2)

≥955 (≥12)

318-342 (40-43)

80

N45

1320-1380 (13,2-13,8)

≥955 (≥12)

342-366 (43-46)

80

N48

1380-1420 (13,8-14,2)

≥876 (≥12)

366-390 (46-49)

80

N50

1400-1450 (14,0-14,5)

≥876 (≥11)

382-406 (48-51)

80

N52

1430-1480 (14,3-14,8)

≥876 (≥11)

398-422 (50-53)

80

33M

1130-1170 (11,3-11,7)

≥1114 (≥14)

247-263 (31-33)

100

35M

1170-1220 (11,7-12,2)

≥1114 (≥14)

263-287 (33-36)

100

38M

1220-1250 (12,2-12,5)

≥1114 (≥14)

287-310 (36-39)

100

40M

1250-1280 (12,5-12,8)

≥1114 (≥14)

302-326 (38-41)

100

42M

1280-1320 (12,8-13,2)

≥1114 (≥14)

318-342 (40-43)

100

45M

1320-1380 (13,2-13,8)

≥1114 (≥14)

342-366 (43-46)

100

48M

1380-1420 (13,8-14,3)

≥1114 (≥14)

366-390 (46-49)

100

50M

1400-1450 (14,0-14,5)

≥1114 (≥14)

382-406 (48-51)

100

30H

1080-1130 (10,8-11,3)

≥1353 (≥17)

223-247 (28-31)

120

33H

1130-1170 (11,3-11,7)

≥1353 (≥17)

247-271 (31-34)

120

35H

1170-1220 (11,7-12,2)

≥1353 (≥17)

263-287 (33-36)

120

38H

1220-1250 (12,2-12,5)

≥1353 (≥17)

287-310 (36-39)

120

40H

1250-1280 (12,5-12,8)

≥1353 (≥17)

302-326 (38-41)

120

42H

1280-1320 (12,8-13,2)

≥1353 (≥17)

318-342 (40-43)

120

45H

1320-1380 (13,2-13,8)

≥1353 (≥17)

326-358 (43-46)

120

48H

1380-1420 (13,8-14,3)

≥1353 (≥17)

366-390 (46-49)

120

30SH

1080-1130 (10,8-11,3)

≥1592 (≥20)

233-247 (28-31)

150

33SH

1130-1170 (11,3-11,7)

≥1592 (≥20)

247-271 (31-34)

150

35SH

1170-1220 (11,7-12,2)

≥1592 (≥20)

263-287 (33-36)

150

38SH

1220-1250 (12,2-12,5)

≥1592 (≥20)

287-310 (36-39)

150

40SH

1240-1280 (12,4-12,8)

≥1592 (≥20)

302-326 (38-41)

150

42SH

1280-1320 (12,8-13,2)

≥1592 (≥20)

318-342 (40-43)

150

45SH

1320-1380 (13,2-13,8)

≥1592 (≥20)

342-366 (43-46)

150

28UH

1020-1080 (10,2-10,8)

≥1990 (≥25)

207-231 (26-29)

180

30UH

1080-1130 (10,8-11,3)

≥1990 (≥25)

223-247 (28-31)

180

33UH

1130-1170 (11,3-11,7)

≥1990 (≥25)

247-271 (31-34)

180

35UH

1180-1220 (11,7-12,2)

≥1990 (≥25)

263-287 (33-36)

180

38UH

1220-1250 (12,2-12,5)

≥1990 (≥25)

287-310 (36-39)

180

40UH

1240-1280 (12,4-12,8)

≥1990 (≥25)

302-326 (38-41)

180

28EH

1040-1090 (10,4-10,9)

≥2388 (≥30)

207-231 (26-29)

200

30EH

1080-1130 (10,8-11,3)

≥2388 (≥30)

233-247 (28-31)

200

33EH

1130-1170 (11,3-11,7)

≥2388 (≥30)

247-271 (31-34)

200

35EH

1170-1220 (11,7-12,2)

≥2388 (≥30)

263-287 (33-36)

200

38EH

1220-1250 (12,2-12,5)

≥2388 (≥30)

287-310 (36-39)

200

Как сравнить силу магнитов?

Если возникает необходимость сравнить, какой из двух выбранных магнитов сильнее, рекомендуем Вам воспользоваться следующими способами.

  • При одинаковых линейных размерах (точная методика):

Чтобы понять, насколько один магнит сильнее другого, необходимо значение остаточной магнитной индукции одного магнита (второй столбец таблицы) разделить на значение остаточной магнитной индукции другого магнита. Пример: неодимовый магнит N40 с В=1250 мТ и неодимовый магнит N50 с В=1400 мТ, делим их магнитные индукции и получаем 1400/1250 = 1,12, то есть магнит N50 «сильнее» магнита N40 на 12%, при условии, что линейные размеры магнитов одинаковые.

  • При разных линейных размерах (грубая методика):

Чтобы понять, насколько один магнит сильнее другого, необходимо сравнить их массы. Пример: магнит 30*10 мм весит примерно 55 грамм, а магнит 25*20 мм весит 76 грамм. Делим их массы 76/55=1,38, то есть магнит 25*20 мм сильнее магнита 30*10 мм примерно на 38%, при условии, что их классы, то есть физические характеристики, одинаковые.

Коэрцитивная сила магнита

И в таблице осталась одна незатронутая колонка – Коэрцитивная Сила (третий столбец). Кратко, Коэрцитивная сила – это величина магнитного поля, в которое нужно поместить магнит, чтобы его «размагнитить». Данная величина, как правило, очень важна в случаях, если магнит эксплуатируется в условиях жёсткого внешнего магнитного поля, как правило, вблизи мощных электроузлов.

Надеемся, что в данной статье (характеристики неодимовых магнитов) Вы нашли ответы на часть Ваших вопросов. На другие вопросы мы с удовольствием ответим по телефону или электронной почте, которые указаны в контактах.

Читайте также:

Что такое неодимовый магнит?

Что такое самариевый магнит?

Правила работы с магнитами

Что такое аксиальная намагниченность?

Можно ли изготовить магниты по Вашим размерам?

 

Моделирование электродинамических подшипников в среде COMSOL Multiphysics®

Электродинамические или магнитные подшипники используются во многих отраслях промышленности, включая производство электроэнергии, переработку нефти, в турбинных механизмах, насосах и инерциальных системах накопления энергии. В отличие от механических подшипников, такие подшипники позволяют подвижные нагрузки без физического контакта за счет магнитной левитации. Магнитные подшипники ценятся за отсутствие трения и возможность работы без смазки и, благодаря низким эксплуатационным расходам, являются альтернативой механическим подшипникам, при этом имея более долгий срок службы. Давайте ознакомимся с техниками вычисления параметров конструкции, таких как магнитные силы, вращающий момент и магнитная жесткость, с использованием пакета COMSOL Multiphysics®.

Виды магнитных подшипников

По принципу действия магнитные подшипники могут быть классифицированы на: активные магнитные подшипники (АМП) и пассивные магнитные подшипники (ПМП). АМП функционируют за счет притяжения между ферромагнитным материалом и электромагнитами (катушка и сердечник). В ПМП используется отталкивающая сила между постоянными магнитами (ПМ) и/или проводящей поверхностью и ПМ.

Активные магнитные подшипники

Активные магнитные подшипники состоят из неподвижной части — статора, который содержит электромагниты и датчики положения, и вращающейся части — ротора, который двигается вместе с валом. При нормальных условиях работы, ротор идеально центрируется, образуя эквидистантный зазор вокруг статора. Однако, при возмущениях положение ротора контролируется с помощью замкнутой системы с обратной связью. Изменение положения ротора измеряется датчиком, а данные затем передаются цифровому контроллеру. После обработки данных, контроллер посылает сигнал усилителю мощности. Усилитель перенастраивает токи в электромагнитах для того, чтобы вернуть ротор в исходное положение. Чтобы подрегулировать ротор, для конструкторов важно знать магнитную силу при различных положениях ротора, а также соответствующие токи.


Схематическое изображение компонентов АМП. Изображение из Wikimedia Commons.

Преимущество АМП заключается в активном контроле положения ротора, но это означает более высокую стоимость создания их электронной схемы, а также больших эксплуатационных расходов. Эксплуатационные расходы конечно могут быть уменьшены, путем оптимизацией дизайна электромагнитов для уменьшения энергии, требуемой на их питание. COMSOL Multiphysics является полезным инструментом в данном процессе оптимизации.

Наиболее удобный способ в COMSOL для проектирования АМП, включая статор и ротор, заключается в использовании интерфейса Вращающиеся Механизмы, Магнетизм (Rotating Machinery, Magnetic) в модуле AC/DC. При этом процесс моделирования очень похож на такой же для электрического генератора или двигателя, который уже был продемонстрирован в нашей обучающей модели Generator in 2D tutorial. Общие рекомендации вы можете прочитать в нашей предыдущей записи "Каким образом моделировать вращающиеся механизмы в 3D-пространстве".

С использованием интерфейса Магнитные Поля (Magnetic Fields), вы можете моделировать постоянные магниты, а также проводящие катушки (в том числе в приближении однородной многовитковой катушки). Однако, вы не сможете учесть индуцированный ток вызванный вращением. Если индуцированными токами можно пренебречь, вы можете настроить стационарное решение или решение в частотной области, а затем добавить параметрическое исследование для различных положений ротора для вычисления магнитной силы или крутящего момента.

Пассивные магнитные подшипники

Пассивные магнитные подшипники используют постоянные магниты и не требуют датчика, управляющих схем или питания. Постоянный воздушный зазор сохраняется магнитной силой отталкивания между противоположными полюсами ПМ, как продемонстрировано здесь, или электродинамической подвеской между ПМ и вращающимся диском или валом, как показано здесь. Геометрия и результаты моделирования пассивного магнитного подшипника с использованием ПМ, показаны ниже.



Слева: Геометрия осевого магнитного подшипника с постоянными магнитами. Направление намагничивания постоянных магнитов изображено чёрными стрелками. Справа: График, демонстрирующий магнитную индукцию (стрелочная диаграмма) и норму магнитной индукции (поверхностный график).

Электродинамические подшипники

При вращении в магнитном поле, созданном постоянным магнитом, электропроводящий ротор вызывает вихревые токи на проводящем роторе. Эти вихревые токи, в свою очередь, генерируют магнитное поле, которое противонаправлено магнитным полям ПМ и вызывает силы отталкивания между вращающимся проводником и стационарным ПМ. Смещение ротора всегда компенсируется этой отталкивающей магнитной силой. Таким образом, ротор продолжает вращаться в центре с равномерным зазором.

Электродинамические подшипники могут быть далее классифицированы как радиальные электродинамические и осевые электродинамические подшипники. Это разделение основано на том, параллелен ли магнитный поток оси ротора, либо, соответственно, перпендикулярен.

Электродинамическая радиальный подшипник

Радиальный электродинамический подшипник состоит из проводящего цилиндра, прикрепленного к вращающемуся валу. Компоненты ПМ помещены между железными кольцами в стек так, что радиально внутренний или наружный магнитный поток — относительно оси вала — создаётся в воздушном зазоре между статором и ротором. Учебная модель Электродинамический подшипник, доступная в нашей Галереи приложений, использует для решения интерфейс Магнитные и Электрические Поля (Magnetic and Electric Fields). При этом магнитные силы рассчитываются для различных положений смещения.

Слева: 3D-геометрия радиального электродинамического подшипника. Справа: Радиальный электродинамический подшипник и изображение магнитной индукции в статоре (магнитопровод и магниты) и вихревые токи (в оттенках серого) в проводящем роторе при смещении вдоль оси x на 1.5 мм.

Осевой электродинамический подшипник

Ниже показано поперечное сечение конфигурации осевого электродинамического подшипника. Проводящий диск прикреплен к ротору и магнитный материал (железный "хомут") используется для отведения магнитных полей от ПМ так, чтобы линии магнитной индукции стали параллельны оси ротора. Именно по этому и появился термин осевой электродинамический подшипник.

В этой конструкции, путь магнитного потока является очень эффективным при относительно небольшом воздушном зазоре. Полная учебная модель доступна для скачивания из нашей Галереи Приложений.


Слева: Поперечный срез осевого электродинамического подшипника. Справа: Осевой электродинамический подшипник, с изображением магнитной индукции в статоре и вихревых токов в проводящем роторе. Стрелочная диаграмма для магнитной индукции в статоре и вихревых токов в роторе.

Оба примера электродинамических подшипников, рассмотренных выше, смоделированы в среде COMSOL Multiphysics с использованием интерфейса Магнитные и Электрические Поля. В обоих случаях, функция Скорость (фактор Лоренца) используется, чтобы задать скорость вращения. С помощью такого подхода, вам не нужно будет использовать интерфейс Двигающаяся сетка (Moving Mesh) для учета вращения ротора.

Обратите внимание на то, что функция Velocity Lorentz Term может быть использована только в случае, когда движущаяся область не содержит магнитных источников, таких как токи или намагничивание (фиксированное или индуцированное), которые двигаются вместе с материалом, и двигающиеся области являются инвариантными в направлении перемещения. В частности, функция Velocity Lorentz Term может использоваться для моделирования проводящего (не магнитный) однородного вращающегося диска. Другие примеры включают применения в моделях магнитных тормозов, электродинамического подшипника, униполярного электрического генератора, магнитов над движущейся бесконечной однородной плоскостью (в частности магнита,падающего внутри медной трубы, или поезда на магнитной подушке), потока однородной проводящей жидкости через магнита (в частности насосов для жидких металлов или датчиков Холла, а также электрогидравлических преобразователей).

Примечание: Область, на которую применяется функция Velocity Lorentz Term, не может содержать токи или постоянные магниты. Кроме того, вращающаяся область не может представлять собой проницаемый или насыщаемый материал (например железо), так как они будут содержать индуцированную намагниченность. Движущиеся магнитные источники, индуцированные в магнитном материале, в свою очередь вызвали бы электрическое поле в окружающих участках, которое не может быть смоделировано данной функцией.

Магнитная сила/крутящий момент

В среде COMSOL Multiphysics доступны два метода для вычисления электромагнитных сил и крутящих моментов. Наиболее общим методом является метод тензора натяжений Максвелла (Maxwell stress tensor), который используется функцией Вычисление Силы (Force Calculation) в интерфейсах Магнитные поля; Магнитные Поля, без токов; Магнитные и Электрические Поля Вращающиеся Механизмы, Магнетизм.

Таким образом, при добавлении этой функции, для постобработки становятся доступны пространственный компоненты магнитных сил (mf.Forcex_0, mf.Forcey_0, mf.Forcez_0) и осевой крутящий момент ( mf.Tax_0) в интерфейсе Магнитные поля. Функция Вычисление Силы (Force Calculation) просто интегрирует натяжение Максвелла, вычисляемое непосредственно вне выбранной области (или областей) и по всей внешней границе выборки области, которая должна быть группой движущихся вместе областей (т.е. единым механическим элементов). Поскольку, этот метод основан на интегрировании по поверхности, вычисляемая сила является чувствительной к размеру сетки. Поэтому при использовании этого метода всегда важно выполнять исследование качества сетки (mesh refinement study), чтобы правильно вычислять силу или крутящий момент.

Расчет силы не будет верным, если область, в которой применяется функция Вычисление Силы (Force Calculation), косается внешней границы, периодической границы и тождественной пары. Кроме того, чтобы вычислить силу на прикрепленном к ферромагнитной поверхности магните, контактные границы должны иметь тонкий зазор с малой диэлектрической проницаемостью (тонкий зазор с малой диэлектрической проницаемостью для электростатического эквивалента), поскольку натяжения Максвелла должны быть рассчитаны скорее в воздухе, чем в ферромагнитном (диэлектрическом) материале.

Второй метод — метод Силы Лоренца (Lorentz force) — работает только в особых случаях для вычисления магнитной силы на немагнитных, токопроводящих областях. Сила Лоренца определяется как F = J × B, где J — плотность тока и B — магнитная индукция. Сила Лоренца предпочтительна (и является очень точным методом) для вычислений силы в электропроводящих областях, поскольку вычисление проводится по объёму,  а не по границе. Поэтому в тех случаях, когда это возможно, желательно использовать метод силы Лоренца, а не метод тензора натяжения Максвелла.

Помимо этих встроенных методов, указанных выше, магнитная сила и крутящий момент также могут быть вычислены с использованием метода виртуальной работы или принципа виртуального смещения. В этой технике, сила рассчитывается путем изучения влияния малого смещения на электромагнитную энергию. Метод виртуальной работы может быть внедрён с помощью функций деформированной сетки и анализа чувствительности в среде COMSOL Multiphysics. Пример его реализации представлен по ссылке.

Магнитная жесткость

В механике твердого тела, жесткость — это т.н. твердость объекта — степень, до которой объект сопротивляется деформации в ответ на приложенную силу. Аналогичным образом, применительно к магнитным подшипникам, такой параметр определяется как магнитная жесткость и означает взятую с отрицательным знаком производную полной магнитной силы по пространственной координате. Если магнитная сила определена как Fz, магнитная жесткость относительно положения z, вычисляется по формуле:

k_{zz} = – \frac{dF_z}{ dz}

Учебная модель, иллюстрирующая этот метод для вычисления магнитной жесткости в осевом магнитном подшипнике, доступна по следующей ссылке. Этот пример, однако, ограничивается случаем осевой симметрии. Т.е., магнитная жесткость не может быть оценена в x– и y– направлениях. Чтобы рассчитать магнитную жесткость во всех направлениях, вам необходимо смоделировать проблему в 3D-постановке. В рамках данного блога мы создадим 3D-версию осевого магнитного подшипника, описанного выше, и определим жесткость kx. Вы можете скачать такую учебную модель из нашей Галлереи Приложений.

Такой подход в первую очередь предполагает использование интерфейсов Магнитные поля, Деформированная геометрия и Чувствительность (Sensitivity). Как и в 2D-модели, используется интерфейс Магнитные поля. Магниты моделируются с помощью функции закон Ампера, в котором материальная модель определена как "Остаточная магнитная индукция" с величиной 1 [Тл]. Функция Вычисление Силы добавлена только к внутренним магнитам, при этом геометрия параметризована таким образом, что позиция внутренних магнитов параметром X0 (сдвиг по оси x). Этот параметр будет использоваться в дальнейшем для параметрического исследования, а также для определения предустановленного смещения сетки dX в интерфейсе Деформируемая Геометрия. Будем использовать только четверть геометрии для вычисления магнитной жесткости в x-направлении.

Обратите внимание, что в такой конфигурации будет правильно рассчитана только сила вдоль оси х0. В сили симметрии сила в y- и z-направлениях должна быть равна нулю. Однако, из-за того, что только четверть геометрии смоделирована, вычисленная сила будет достаточно большой. Жесткость в y-направлении может быть вычислена аналогичным образом при анализе четверти модели, симметричной в yz– и xy-плоскостях.



Слева: 3D-модель четверти осевого магнитного подшипника для вычисления жесткости. Справа: Норма магнитной индукции и диаграмма направления магнитной индукции в половине модели. Результаты визуализированы с помощью набора данных 3D-Зеркало в xy-плоскости.

Решение уравнений интерфейса Деформируемая Геометрия проводится везде за исключением области с бесконечными элементами (infinite element domain). Чтобы найти решение для этого участка, для начала нужно добавить узел Свободная деформация (Free Deformation) для воздушного участка вокруг магнитов. Кроме того, вы можете добавить предустановленную деформацию dX к области внутренних магнитов вдоль оси x. Наконец, добавьте два узла Предустановленного смещения сетки (Prescribed Mesh Displacement) для внутренних магнитных границ и границы симметрии, как показано ниже.


Параметры для предустановленной деформации на областях внутренних магнитов.


Параметры для предустановленного смещения сетки на границах внутренних магнитов.


Параметры для предустановленного смещения сетки на границе симметрии.

В интерфейсе Чувствительность (Sensitivity), добавьте функцию Глобальный целевой параметр (Global Objective) и укажите полную силу в x-направлении (например 4*mf.Forcex_0) в выражении для целевого параметра в настройках интерфейса. Здесь, mf.Forcex_0 x-компонент силы тензора натяжения Максвелла, который вычисляется с помощью функции Вычисление силы в интерфейсе Магнитные поля. Точно так же добавьте глобальную контрольную переменную (global control variable) dX.


Настройки для Глобального целевого параметра (global objective) — слева — и глобальных контрольных переменных (global control variables) — справа.

Поскольку исследование чувствительности (и Оптимизация) не может быть совмещено с исследованием узла Параметрическое исследование, модель должна быть разрешена с использованием двух отдельных исследований. Первое исследование будет включать решатель для чувствительности (Sensitivity) и стационарный решатель. Второе исследование тогда будет включать в себя Параметрическое исследование , но будет использовать Исследование 1 (Study 1) в качестве референсного. Выполните параметрический свип по параметру X0, использовав следующий интервал значений (0,1.5/20,1.5), с настройками, изображенными ниже.

Слева: Параметры и настройки стационарного исследования для анализа чувствительности (sensitivity analysis). Справа: Настройки для параметрического исследования (Parametric Sweep), использующего Решение 1 (Study 1) в качестве референсного.

Магнитная сила в оси-x и магнитная жесткость в x-направлении построены как глобальные 1D-графики.

Параметры графиков для магнитной силы (слева) и магнитной жесткости (справа).

Слева: x-компонента электромагнитной силы как функция смещения по x- оси. Справа: Магнитная жесткость kxx как функция смещения по оси x.

Резюме

Сегодня мы обсудили несколько типов магнитных подшипников, которые могут быть смоделированы в среде COMSOL Multiphysics с использованием доступных интерфейсов модуля AC/DC. Моделирование обеспечивает упрощенный подход для определения конструктивных параметров этих типов подшипников, помогая оптимизировать их работу, а также срок их службы.

В следующей записи в этой серии нашего блога, мы сфокусируемся на том, как может использоваться COMSOL Multiphysics для моделирования магнитных редукторов. Оставайтесь с нами!

Примечание редактора: этот пост был обновлен 09/05/2017.

Что такое магнетизм? | Магнитные поля и магнитная сила

Магнетизм - это один из аспектов комбинированной электромагнитной силы. Это относится к физическим явлениям, возникающим из-за силы, вызванной магнитами, объектами, которые создают поля, которые притягивают или отталкивают другие объекты.

Согласно веб-сайту HyperPhysics Университета штата Джорджия, магнитное поле воздействует на частицы в поле за счет силы Лоренца. Движение электрически заряженных частиц порождает магнетизм.Сила, действующая на электрически заряженную частицу в магнитном поле, зависит от величины заряда, скорости частицы и силы магнитного поля.

Все материалы обладают магнетизмом, некоторые сильнее, чем другие. Постоянные магниты, сделанные из таких материалов, как железо, испытывают сильнейшее воздействие, известное как ферромагнетизм. За редким исключением, это единственная форма магнетизма, достаточно сильная, чтобы ее могли почувствовать люди.

Противоположности притягиваются

Магнитные поля генерируются вращающимися электрическими зарядами, согласно HyperPhysics.Все электроны обладают свойством углового момента или спина. Большинство электронов имеют тенденцию образовывать пары, в которых один из них имеет «спин вверх», а другой - «спин вниз», в соответствии с принципом исключения Паули, который гласит, что два электрона не могут находиться в одном и том же энергетическом состоянии одновременно. В этом случае их магнитные поля направлены в противоположные стороны, поэтому они компенсируют друг друга. Однако некоторые атомы содержат один или несколько неспаренных электронов, спин которых может создавать направленное магнитное поле. По данным Ресурсного центра неразрушающего контроля (NDT), направление их вращения определяет направление магнитного поля.Когда значительное большинство неспаренных электронов выровнены своими спинами в одном направлении, они объединяются, чтобы создать магнитное поле, достаточно сильное, чтобы его можно было почувствовать в макроскопическом масштабе.

Источники магнитного поля биполярные, с северным и южным магнитными полюсами. По словам Джозефа Беккера из Университета Сан-Хосе, противоположные полюса (северный и южный) притягиваются, а подобные полюса (северный и северный или южный и южный) отталкиваются. Это создает тороидальное поле или поле в форме пончика, поскольку направление поля распространяется наружу от северного полюса и входит через южный полюс.

Земля сама по себе является гигантским магнитом. Согласно HyperPhysics, планета получает свое магнитное поле от циркулирующих электрических токов внутри расплавленного металлического ядра. Компас указывает на север, потому что маленькая магнитная стрелка в нем подвешена, так что он может свободно вращаться внутри корпуса, выравниваясь с магнитным полем планеты. Как ни парадоксально, то, что мы называем Северным магнитным полюсом, на самом деле является южным магнитным полюсом, потому что он притягивает северные магнитные полюса стрелок компаса.

Ферромагнетизм

Если выравнивание неспаренных электронов продолжается без приложения внешнего магнитного поля или электрического тока, образуется постоянный магнит. Постоянные магниты - результат ферромагнетизма. Приставка «ферро» относится к железу, потому что постоянный магнетизм впервые наблюдался в форме естественной железной руды, называемой магнетитом, Fe 3 O 4 . Кусочки магнетита можно найти разбросанными на поверхности земли или вблизи нее, и иногда они намагничиваются.Эти встречающиеся в природе магниты называются магнитными камнями. «Мы до сих пор не уверены в их происхождении, но большинство ученых считают, что магнитный камень - это магнетит, в который попала молния», - говорится в сообщении Университета Аризоны.

Вскоре люди узнали, что они могут намагнитить железную иглу, поглаживая ее магнитом, в результате чего большинство неспаренных электронов в игле выстраиваются в одном направлении. По данным НАСА, примерно в 1000 году нашей эры китайцы обнаружили, что магнит, плавающий в чаше с водой, всегда выстраивается в направлении север-юг.Таким образом, магнитный компас стал огромным помощником в навигации, особенно днем ​​и ночью, когда звезды были скрыты облаками.

Было обнаружено, что другие металлы, помимо железа, обладают ферромагнитными свойствами. К ним относятся никель, кобальт и некоторые редкоземельные металлы, такие как самарий или неодим, которые используются для создания сверхпрочных постоянных магнитов.

Другие формы магнетизма

Магнетизм принимает множество других форм, но, за исключением ферромагнетизма, они обычно слишком слабы, чтобы их можно было наблюдать за исключением чувствительных лабораторных приборов или при очень низких температурах.Диамагнетизм был впервые открыт в 1778 году Антоном Бругнамсом, который использовал постоянные магниты в поисках материалов, содержащих железо. По словам Джеральда Кюстлера, широко публикуемого независимого немецкого исследователя и изобретателя, в его статье «Диамагнитная левитация - исторические вехи», опубликованной в Румынском журнале технических наук, Бругнамс заметил: «Только темный и почти фиолетовый висмут проявлял конкретное явление в исследовании; когда я положил его кусок на круглый лист бумаги, плавающий на воде, он оттолкнулся обоими полюсами магнита.

Было установлено, что висмут обладает самым сильным диамагнетизмом из всех элементов, но, как обнаружил Майкл Фарадей в 1845 году, это свойство всей материи отталкиваться магнитным полем.

Диамагнетизм вызван орбитальным движением электронов, создающих крошечные токовые петли, которые создают слабые магнитные поля, согласно HyperPhysics. Когда к материалу прикладывается внешнее магнитное поле, эти токовые петли имеют тенденцию выравниваться таким образом, чтобы противостоять приложенному полю.Это заставляет все материалы отталкиваться постоянным магнитом; однако результирующая сила обычно слишком мала, чтобы быть заметной. Однако есть некоторые заметные исключения.

Пиролитический углерод, вещество, похожее на графит, демонстрирует даже более сильный диамагнетизм, чем висмут, хотя и только вдоль одной оси, и фактически может подниматься над сверхсильным редкоземельным магнитом. Некоторые сверхпроводящие материалы демонстрируют даже более сильный диамагнетизм ниже своей критической температуры, поэтому над ними можно левитировать редкоземельные магниты.(Теоретически из-за их взаимного отталкивания один может левитировать над другим.)

Парамагнетизм возникает, когда материал временно становится магнитным при помещении в магнитное поле и возвращается в свое немагнитное состояние, как только внешнее поле удаляется. При приложении магнитного поля некоторые из неспаренных электронных спинов выравниваются с полем и преодолевают противоположную силу, создаваемую диамагнетизмом. Однако, по словам Дэниела Марша, профессора физики Южного государственного университета Миссури, эффект заметен только при очень низких температурах.

Другие, более сложные формы включают антиферромагнетизм, при котором магнитные поля атомов или молекул выстраиваются рядом друг с другом; и поведение спинового стекла, которое включает как ферромагнитные, так и антиферромагнитные взаимодействия. Кроме того, ферримагнетизм можно рассматривать как комбинацию ферромагнетизма и антиферромагнетизма из-за множества общих черт между ними, но, по данным Калифорнийского университета в Дэвисе, он все же имеет свою уникальность.

Электромагнетизм

Когда провод перемещается в магнитном поле, поле индуцирует в проводе ток.И наоборот, магнитное поле создается движущимся электрическим зарядом. Это соответствует закону индукции Фарадея, который лежит в основе электромагнитов, электродвигателей и генераторов. Заряд, движущийся по прямой линии, как по прямому проводу, создает магнитное поле, которое вращается вокруг провода по спирали. Когда этот провод превращается в петлю, поле приобретает форму пончика или тора. Согласно Руководству по магнитной записи (Springer, 1998) Marvin Cameras, это магнитное поле можно значительно усилить, поместив ферромагнитный металлический сердечник внутрь катушки.

В некоторых приложениях постоянный ток используется для создания постоянного поля в одном направлении, которое можно включать и выключать вместе с током. Это поле может затем отклонить подвижный железный рычаг, вызывая слышимый щелчок. Это основа телеграфа, изобретенного в 1830-х годах Сэмюэлем Ф. Б. Морзе, который позволял осуществлять связь на большие расстояния по проводам с использованием двоичного кода, основанного на импульсах большой и малой длительности. Импульсы посылались опытными операторами, которые быстро включали и выключали ток с помощью подпружиненного переключателя с мгновенным контактом или ключа.Другой оператор на принимающей стороне затем переводил слышимые щелчки обратно в буквы и слова.

Катушка вокруг магнита также может двигаться по шаблону с изменяющейся частотой и амплитудой, чтобы индуцировать ток в катушке. Это основа для ряда устройств, в первую очередь для микрофона. Звук заставляет диафрагму двигаться внутрь и наружу с волнами переменного давления. Если диафрагма соединена с подвижной магнитной катушкой вокруг магнитопровода, она будет производить переменный ток, аналогичный падающим звуковым волнам.Затем этот электрический сигнал может быть усилен, записан или передан по желанию. Крошечные сверхсильные магниты из редкоземельных элементов сейчас используются для изготовления миниатюрных микрофонов для сотовых телефонов, сообщил Марш Live Science.

Когда этот модулированный электрический сигнал подается на катушку, он создает колеблющееся магнитное поле, которое заставляет катушку двигаться внутрь и наружу по магнитному сердечнику по той же схеме. Затем катушка прикрепляется к подвижному диффузору динамика, чтобы он мог воспроизводить слышимые звуковые волны в воздухе.Первым практическим применением микрофона и динамика был телефон, запатентованный Александром Грэмом Беллом в 1876 году. Хотя эта технология была усовершенствована и усовершенствована, она все еще является основой для записи и воспроизведения звука.

Применения электромагнитов почти бесчисленны. Закон индукции Фарадея формирует основу для многих аспектов нашего современного общества, включая не только электродвигатели и генераторы, но и электромагниты всех размеров. Тот же принцип, который используется гигантским краном для подъема старых автомобилей на свалку металлолома, также используется для выравнивания микроскопических магнитных частиц на жестком диске компьютера для хранения двоичных данных, и каждый день разрабатываются новые приложения.

Штатный писатель Таня Льюис внесла свой вклад в этот отчет.

Дополнительные ресурсы

Магнитная сила на движущемся электрическом заряде

Величина магнитной силы

Магнитная сила, действующая на заряженную частицу q, движущуюся в магнитном поле B со скоростью v (под углом θ к B), равна [latex] \ text {F} = \ text {qvBsin} (\ theta) [/ latex].

Цели обучения

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Магнитные поля действуют на движущиеся заряженные частицы.
  • Направление магнитной силы [латекс] \ text {F} [/ latex] перпендикулярно плоскости, образованной [латексом] \ text {v} [/ latex] и [латексом] \ text {B} [ / латекс], как определено правилом правой руки.
  • Единица СИ для величины напряженности магнитного поля называется тесла (Тл), что эквивалентно одному Ньютону на ампер-метр. Иногда вместо этого используется меньшая единица измерения гаусс (10 -4 т).
  • Когда выражение для магнитной силы комбинируется с выражением для электрической силы, комбинированное выражение известно как сила Лоренца.
Ключевые термины
  • Кулоновская сила : электростатическая сила между двумя зарядами, как описано законом Кулона
  • магнитное поле : Состояние в пространстве вокруг магнита или электрического тока, в котором существует обнаруживаемая магнитная сила и где присутствуют два магнитных полюса.
  • тесла : В Международной системе единиц - производная единица плотности магнитного потока или магнитной индукции. Символ: T
  • .

Величина магнитной силы

Как один магнит притягивает другой? Ответ основан на том факте, что весь магнетизм основан на токе, потоке заряда. Магнитные поля действуют на движущиеся заряды , и поэтому они действуют на другие магниты, у всех из которых есть движущиеся заряды.

Магнитная сила, действующая на движущийся заряд, - одна из самых фундаментальных известных. Магнитная сила так же важна, как электростатическая или кулоновская сила. Однако магнитная сила более сложна как по количеству влияющих на нее факторов, так и по ее направлению, чем относительно простая кулоновская сила. Величина магнитной силы [латекс] \ text {F} [/ latex] на заряд [латекс] \ text {q} [/ latex], движущийся со скоростью [латекс] \ text {v} [/ latex] в напряженность магнитного поля [латекс] \ text {B} [/ latex] определяется по формуле:

[латекс] \ text {F} = \ text {qvBsin} (\ theta) [/ latex]

, где θ - угол между направлениями [латекс] \ text {v} [/ latex] и [latex] \ text {B} [/ latex].Эта формула используется для определения магнитной силы [латекс] \ text {B} [/ latex] в терминах силы, действующей на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле. Единица СИ для величины напряженности магнитного поля называется тесла (Тл) в честь гениального и эксцентричного изобретателя Николы Тесла (1856–1943), внесшего большой вклад в наше понимание магнитных полей и их практического применения. Чтобы определить, как тесла соотносится с другими единицами СИ, мы решаем [latex] \ text {F} = \ text {qvBsin} (\ theta) [/ latex] для [latex] \ text {B} [/ latex] :

[латекс] \ text {B} = \ frac {\ text {F}} {\ text {qvsin} (\ theta)} [/ latex]

Поскольку sin θ является безразмерным, тесла составляет

[латекс] 1 \ text {T} = \ frac {1 \ text {N}} {\ text {C} * \ text {m} / \ text {s}} = \ frac {1 \ text {N} } {\ text {A} * \ text {m}} [/ latex]

Иногда используется еще одна меньшая единица измерения, называемая гауссом (G), где 1 G = 10 −4 T.Самые сильные постоянные магниты имеют поля около 2 Тл; сверхпроводящие электромагниты могут достигать 10 Тл или более. Магнитное поле Земли на ее поверхности составляет всего около 5 × 10 −5 Тл, или 0,5 Гс

.

Направление магнитной силы [латекс] \ text {F} [/ latex] перпендикулярно плоскости, образованной [латексом] \ text {v} [/ latex] и [латексом] \ text {B} [ / латекс], как определено правилом правой руки, которое проиллюстрировано на рисунке 1. В нем говорится, что для определения направления магнитной силы на положительный движущийся заряд вы указываете большим пальцем правой руки в направлении [латекса ] \ text {v} [/ latex], пальцы в направлении [latex] \ text {B} [/ latex], а перпендикуляр к ладони указывает в направлении [latex] \ text {F} [ /латекс].Один из способов запомнить это - это одна скорость, и поэтому большой палец представляет ее. Есть много линий поля, поэтому пальцы представляют их. Сила направлена ​​в том направлении, в котором вы толкаете ладонью. Сила, действующая на отрицательный заряд, прямо противоположна силе, действующей на положительный заряд.

Правило правой руки : Магнитные поля действуют на движущиеся заряды. Эта сила - одна из самых основных известных. Направление магнитной силы на движущийся заряд перпендикулярно плоскости, образованной v и B, и следует правилу правой руки – 1 (RHR-1), как показано.Величина силы пропорциональна q, v, B и синусу угла между v и B.

Направление магнитной силы: правило правой руки

Правило правой руки используется для определения направления магнитной силы на положительный заряд.

Цели обучения

Примените правило правой руки, чтобы определить направление магнитной силы на заряд

Основные выводы

Ключевые моменты
  • При рассмотрении движения заряженной частицы в магнитном поле релевантными векторами являются магнитное поле B, скорость частицы v и магнитная сила, действующая на частицу F.Все эти векторы перпендикулярны друг другу.
  • Правило правой руки гласит, что для определения направления магнитной силы на положительный движущийся заряд большой палец правой руки должен указывать в направлении v, пальцы в направлении B, а сила (F) равна направлен перпендикулярно ладони правой руки.
  • Направление силы F, действующей на отрицательный заряд, противоположно указанному выше (так что направлено от тыльной стороны руки).
Ключевые термины
  • Правило правой руки : Направление угловой скорости ω и углового момента L, на которое указывает большой палец правой руки, когда вы сгибаете пальцы в направлении вращения.

Направление магнитной силы: правило правой руки

До сих пор мы описывали величину магнитной силы, действующей на движущийся электрический заряд, но не направление. Магнитное поле является векторным полем, поэтому приложенная сила будет ориентирована в определенном направлении. Есть умный способ определить это направление, используя не что иное, как вашу правую руку. Направление магнитной силы F перпендикулярно плоскости, образованной v и B , как определено правилом правой руки, которое проиллюстрировано на рисунке выше.Правило правой руки гласит, что: чтобы определить направление магнитной силы на положительный движущийся заряд, ƒ, направьте большой палец правой руки в направлении v , пальцы в направлении B и перпендикулярно ладони указывает в направлении F .

Правило правой руки : Магнитные поля действуют на движущиеся заряды. Эта сила - одна из самых основных известных. Направление магнитной силы на движущийся заряд перпендикулярно плоскости, образованной v и B, и следует правилу правой руки – 1 (RHR-1), как показано.Величина силы пропорциональна q, v, B и синусу угла между v и B.

Один из способов запомнить это - наличие одной скорости, представленной соответственно большим пальцем. Есть много линий поля, обозначенных пальцами соответственно. Сила направлена ​​в том направлении, в котором вы толкаете ладонью. Сила, действующая на отрицательный заряд, прямо противоположна силе, действующей на положительный заряд. Поскольку сила всегда перпендикулярна вектору скорости, чистое магнитное поле не будет ускорять заряженную частицу в одном направлении, но будет производить круговое или спиральное движение (концепция, более подробно исследуемая в будущих разделах).Важно отметить, что магнитное поле не оказывает силы на статический электрический заряд. Эти два наблюдения согласуются с правилом, согласно которому магнитные поля не действуют, , , .

Магнитные поля, магнитные силы и проводники

Эффект Холла

Когда ток проходит по проводу, находящемуся под воздействием магнитного поля, в проводнике создается потенциал, поперечный току.

Цели обучения

Экспресс-напряжение Холла для металла, содержащего только один тип носителей заряда

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Эффект Холла - это явление, при котором на электрическом проводнике возникает разность напряжений (называемая напряжением Холла), которая перпендикулярна электрическому току проводника при приложении магнитного поля, перпендикулярного току проводника.
  • Движущиеся заряды в проводе будут менять траекторию в присутствии магнитного поля, «изгибаясь» к нему. Таким образом, эти заряды накапливаются на одной стороне материала. С другой стороны, остался избыток противоположного заряда. Таким образом создается электрический потенциал.
  • [latex] \ text {V} _ \ text {H} = - \ frac {\ text {IB}} {\ text {net}} [/ latex] - это формула для напряжения Холла (V H ). Это фактор силы тока (I), магнитного поля (B), толщины проводящей пластины (t) и плотности носителей заряда (n) электронов-носителей.
Ключевые термины
  • elementary charge : Электрический заряд одиночного протона.
  • поперечный : не касательный, поэтому между двумя пересекающимися объектами образуется невырожденный угол.

Эффект Холла - это явление, при котором на электрическом проводнике возникает разность напряжений (называемая напряжением Холла), поперечная электрическому току проводника, когда прикладывается магнитное поле, перпендикулярное току проводника.

Когда присутствует магнитное поле, не параллельное движению движущихся зарядов внутри проводника, на заряды действует сила Лоренца. В отсутствие такого поля заряды движутся примерно по прямой траектории, иногда сталкиваясь с примесями.

В присутствии магнитного поля с перпендикулярной составляющей пути, по которым проходят заряды, становятся искривленными, так что они накапливаются на одной стороне материала. С другой стороны, остается избыток противоположного заряда.Таким образом, электрический потенциал создается до тех пор, пока течет заряд. Это противодействует магнитной силе, в конечном итоге до точки компенсации, в результате чего поток электронов движется по прямому пути.

Эффект Холла для электронов : Первоначально электроны притягиваются магнитной силой и движутся по изогнутой стрелке. В конце концов, когда электроны накапливаются в избытке на левой стороне и в дефиците на правой, создается электрическое поле ξy. Эта сила становится достаточно сильной, чтобы нейтрализовать магнитную силу, поэтому будущие электроны следуют прямым (а не криволинейным) путем.

Для металла, содержащего только один тип носителя заряда (электроны), напряжение Холла (V H ) можно рассчитать как коэффициент тока (I), магнитного поля (B) и толщины проводящей пластины (t). , и плотность носителей заряда (n) электронов-носителей:

[латекс] \ text {V} _ \ text {H} = - \ frac {\ text {IB}} {\ text {net}} [/ latex]

В этой формуле e представляет собой элементарный заряд.

Коэффициент Холла (R H ) является характеристикой материала проводника и определяется как отношение индуцированного электрического поля (E y ) к произведению плотности тока (j x ) и приложенного магнитного поля. (В):

[латекс] \ text {R} _ \ text {H} = \ frac {\ text {E} _ \ text {y}} {\ text {j} _ \ text {xB}} = \ frac {\ text {V} _ \ text {Ht}} {\ text {IB}} = - \ frac {1} {\ text {ne}} [/ latex]

Эффект Холла - довольно распространенное явление в физике и проявляется не только в проводниках, но и в полупроводниках, ионизированных газах и, среди прочего, в квантовом спине.

Магнитная сила на проводнике с током

Когда электрический провод подвергается воздействию магнита, ток в этом проводе испытывает силу - результат действия магнитного поля.

Цели обучения

Экспресс-уравнение, используемое для расчета магнитной силы электрического провода, находящегося в магнитном поле

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Магнитная сила, действующая на ток, может быть найдена путем суммирования магнитной силы на каждом из отдельных зарядов, образующих этот ток.
  • Для провода, подверженного воздействию магнитного поля, [латекс] \ text {F} = \ text {IlB} \ sin \ theta [/ latex] описывает взаимосвязь между магнитной силой (F), током (I) и длиной провода. (l), магнитное поле (B) и угол между полем и проводом (θ).
  • Направление магнитной силы может быть определено с помощью правила правой руки , как на рис [[17951]].
Ключевые термины
  • скорость дрейфа : средняя скорость свободных зарядов в проводнике.
  • магнитное поле : Состояние в пространстве вокруг магнита или электрического тока, в котором существует обнаруживаемая магнитная сила и где присутствуют два магнитных полюса.

Когда электрический провод подвергается воздействию магнита, на ток в этом проводе влияет магнитное поле. Эффект проявляется в виде силы. Выражение для магнитной силы, действующей на ток, можно найти, суммируя магнитную силу на каждом из множества отдельных зарядов, составляющих ток.Поскольку все они движутся в одном направлении, силы могут складываться.

Правило правой руки : Используется для определения направления магнитной силы.

Сила (F), которую магнитное поле (B) оказывает на отдельный заряд (q), движущийся со скоростью дрейфа v d , составляет:

[латекс] \ text {F} = \ text {qv} _ \ text {dB} \ sin \ theta [/ latex]

В этом случае θ представляет собой угол между магнитным полем и проводом (магнитная сила обычно рассчитывается как перекрестное произведение).Если B является постоянным по всему проводу и 0 в другом месте, то для провода с N носителями заряда на его общей длине l общая магнитная сила на проводе равна:

[латекс] \ text {F} = \ text {Nqv} _ \ text {dB} \ sin \ theta [/ latex].

Учитывая, что N = nV, где n - количество носителей заряда в единице объема, а V - объем провода, и что этот объем рассчитывается как произведение площади круглого поперечного сечения A и длины (V = Al) , дает уравнение:

[латекс] \ text {F} = (\ text {nqAv} _ \ text {d}) \ text {lB} \ sin \ theta [/ latex].

Слагаемые в скобках равны току (I), поэтому уравнение можно переписать как:

[латекс] \ text {F} = \ text {IlB} \ sin \ theta [/ latex]

Направление магнитной силы может быть определено с помощью правила для правой руки , продемонстрированного в. Большой палец указывает в направлении тока, а четыре других пальца параллельны магнитному полю. Сгибание пальцев показывает направление магнитной силы.

Крутящий момент в токовой петле: прямоугольный и общий

Токоведущая петля, подверженная воздействию магнитного поля, испытывает крутящий момент, который может использоваться для питания двигателя.

Цели обучения

Определите общее предложение крутящего момента на петле любой формы

Основные выводы

Ключевые моменты
  • [латекс] \ tau = \ text {NIAB} \ sin \ theta [/ latex] можно использовать для расчета крутящего момента ([латекс] \ tau [/ latex]) петли из N витков и площади, по которой проходит ток I чувствует себя в магнитном поле B.
  • Хотя силы, действующие на петлю, равны и противоположны, они обе действуют, вращая петлю в одном направлении.
  • Испытываемый крутящий момент не зависит от формы петли. Важна площадь петли.
Ключевые термины
  • крутящий момент : вращательное или скручивающее действие силы; (Единица СИ ньютон-метр или Нм; британская единица измерения фут-фунт или фут-фунт)

Когда ток проходит по петле, которая подвергается воздействию магнитного поля, это поле оказывает крутящий момент на петлю. Этот принцип обычно используется в двигателях, в которых контур соединен с валом, который вращается под действием крутящего момента.Таким образом, электрическая энергия тока преобразуется в механическую энергию при вращении петли и вала, и эта механическая энергия затем используется для питания другого устройства.

Крутящий момент на токовой петле : электрическая энергия тока преобразуется в механическую энергию при вращении петли и вала, и эта механическая энергия затем используется для питания другого устройства.

В этой модели северный и южный полюса магнитов обозначены буквами N и S соответственно. В центре - прямоугольная проволочная петля длиной l и шириной w, по которой проходит ток I.Воздействие магнитного поля B на токоведущий провод вызывает крутящий момент τ.

Чтобы понять крутящий момент, мы должны проанализировать силы, действующие на каждый сегмент контура. Предполагая постоянное магнитное поле, мы можем заключить, что силы в верхней и нижней частях петли равны по величине и противоположны по направлению, и, таким образом, не создают результирующей силы. Между прочим, эти силы вертикальны и, следовательно, параллельны валу.

Однако, как показано (a) на рисунке ниже, равные, но противоположные силы создают крутящий момент, действующий по часовой стрелке.

Изменяющийся крутящий момент на заряженном контуре в магнитном поле : Максимальный крутящий момент имеет место в (b), когда он составляет 90 градусов. Минимальный крутящий момент равен 0 и встречается в (c), когда θ составляет 0 градусов. Когда контур вращается после = 0, крутящий момент меняется на противоположное (d).

Учитывая, что крутящий момент рассчитывается по уравнению:

[латекс] \ tau = \ text {rF} \ sin \ theta [/ latex]

где F - сила, действующая на вращающийся объект, r - расстояние от точки поворота, к которой приложена сила, а θ - угол между r и F, мы можем использовать сумму двух крутящих моментов (силы действуют по обе стороны от петли), чтобы найти общий крутящий момент:

[латекс] \ tau = \ frac {\ text {w}} {2} \ text {F} \ sin \ theta + \ frac {\ text {w}} {2} \ text {F} \ sin \ theta = \ text {wF} \ sin \ theta [/ latex]

Обратите внимание, что r равно w / 2, как показано.

Чтобы найти крутящий момент, мы все равно должны найти F из магнитного поля B относительно тока I. Прямоугольник имеет длину l, поэтому F = IlB. Замена F на IlB в уравнении крутящего момента дает:

[латекс] \ tau = \ text {wIlB} \ sin \ theta [/ latex]

Обратите внимание, что произведение w и l включено в это уравнение; эти термины можно заменить площадью (A) прямоугольника. Если используется проволока другой формы, ее площадь можно вставить в уравнение независимо от формы (круглой, квадратной или другой).

Также обратите внимание, что это уравнение крутящего момента рассчитано на один оборот. Крутящий момент увеличивается пропорционально количеству оборотов (Н). Таким образом, общее уравнение для крутящего момента на петле любой формы, из N витков, каждая из областей A, несущая ток I и подверженная воздействию магнитного поля B, представляет собой величину, которая колеблется при вращении петли и может быть вычислена по формуле:

[латекс] \ tau = \ text {NIAB} \ sin \ theta [/ latex]

Закон Ампера: Магнитное поле из-за длинного прямого провода

Ток, протекающий по проводу, создает магнитное поле, которое можно рассчитать по закону Био-Савара.

Цели обучения

Выразите взаимосвязь между напряженностью магнитного поля и током, протекающим через провод, в форме уравнения

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Закон Ампера гласит, что для замкнутой кривой длиной C магнитное поле (B) связано с током (I C ): [латекс] \ oint_ \ text {C} {\ text {Bd} \ ell = \ mu _0 \ text {I} _ \ text {C}} [/ latex]. В этом уравнении dl представляет собой разницу длины провода в изогнутом проводе, а μ 0 - проницаемость свободного пространства.3} [/ латекс]. В этом уравнении парциальное магнитное поле (дБ) выражается как функция тока для бесконечно малого отрезка провода (dl) в точке на расстоянии r от проводника.
  • После интегрирования направление магнитного поля в соответствии с законом Био-Савара может быть определено с помощью правила правой руки.
Ключевые термины
  • электрическое поле : область пространства вокруг заряженной частицы или между двумя напряжениями; он воздействует на заряженные объекты поблизости.
  • магнитное поле : Состояние в пространстве вокруг магнита или электрического тока, в котором существует обнаруживаемая магнитная сила и где присутствуют два магнитных полюса.

Ток, протекающий по проводу, создает как электрическое, так и магнитное поле. Для замкнутой кривой длиной C магнитное поле (B) связано с током (I C ), как в законе Ампера, который математически формулируется как:

[латекс] \ oint_ \ text {C} {\ text {Bd} \ ell = \ mu _0 \ text {I} _ \ text {C}} [/ latex]

Направление магнитного поля : Направление магнитного поля можно определить по правилу правой руки.

В этом уравнении dl представляет собой разницу длины проволоки в изогнутой проволоке, а μ 0 - проницаемость свободного пространства. Это может быть связано с законом Био-Савара. Для короткого прямого отрезка проводника (обычно провода) этот закон обычно вычисляет парциальное магнитное поле (дБ) как функцию тока для бесконечно малого отрезка провода (dl) на расстоянии r от проводника:

[латекс] \ text {d} {\ bf \ text {B}} = \ frac {\ mu_0} {4 \ pi} \ frac {\ text {Id} {\ bf \ text {l}} \ times { \ bf \ text {r}}} {\ text {r} ^ 3} [/ latex].2}} [/ латекс].

Это соотношение сохраняется для постоянного тока в прямом проводе, в котором магнитное поле в точке, обусловленное всеми токовыми элементами, составляющими прямой провод, одинаково. Как показано, направление магнитного поля может быть определено с помощью правила для правой руки - когда большой палец направлен в направлении тока, изгиб пальцев указывает направление магнитного поля вокруг прямого провода.

Магнитная сила между двумя параллельными проводниками

Параллельные провода, по которым проходит ток, создают значительные магнитные поля, которые, в свою очередь, создают значительные силы на токи.

Цели обучения

Выразите магнитную силу, ощущаемую парой проводов, в форме уравнения

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Поле (B 1 ), создаваемое этим током (I 1 ) из провода, можно рассчитать как функцию тока и расстояния между проводами (r): [latex] \ text {B} _1 = \ frac {\ mu_0 \ text {I} _1} {2 \ pi \ text {r}} [/ latex] μ 0 - постоянная величина.
  • [latex] \ text {F} = \ text {IlB} \ sin \ theta [/ latex] описывает магнитную силу, ощущаемую парой проводов.Если они параллельны, уравнение упрощается, так как функция синуса равна 1.
  • Сила, ощущаемая между двумя параллельными проводящими проводами, используется для определения ампера - стандартной единицы силы тока.
Ключевые термины
  • ампер : единица электрического тока; стандартная базовая единица Международной системы единиц. Аббревиатура: amp. Символ: A.
  • ток : Время протекания электрического заряда.
  • магнитное поле : Состояние в пространстве вокруг магнита или электрического тока, в котором существует обнаруживаемая магнитная сила и где присутствуют два магнитных полюса.

Параллельные провода, по которым проходит ток, создают значительные магнитные поля, которые, в свою очередь, создают значительные силы на токи. Сила, ощущаемая между проводами, используется для определения стандартной единицы тока, известной как амфера.

In поле (B 1 ), которое создает I 1 , может быть вычислено как функция тока и расстояния между проводами (r):

Магнитные поля и сила, создаваемые параллельными токоведущими проводами. : Токи I1 и I2 текут в одном направлении, на расстоянии r.

[латекс] \ text {B} _1 = \ frac {\ mu_0 \ text {I} _1} {2 \ pi \ text {r}} [/ latex]

Поле B 1 оказывает давление на провод, содержащий I 2 . На рисунке эта сила обозначена как F 2 .

Сила F 2 , действующая на провод 2, может быть рассчитана как:

[латекс] \ text {F} _2 = \ text {I} _2 \ text {lB} _1 \ sin \ theta [/ latex]

Учитывая, что поле однородно вдоль и перпендикулярно проводу 2, sin θ = sin 90 derees = 1. Таким образом, сила упрощается до: F 2 = I 2 lB 1

Согласно Третьему закону Ньютона (F 1 = -F 2 ) силы на двух проводах будут равны по величине и противоположны по направлению, поэтому просто мы можем использовать F вместо F 2 .Учитывая, что провода часто бывают очень длинными, часто бывает удобно найти силу на единицу длины. Преобразуя предыдущее уравнение и используя определение B 1 , получаем:

[латекс] \ frac {\ text {F}} {\ text {l}} = \ frac {\ mu_0 \ text {I} _1 \ text {I} _2} {2 \ pi \ text {r}} [ / латекс]

Если токи в одном направлении, сила притягивает провода. Если токи идут в противоположных направлениях, сила отталкивает провода.

Сила между токоведущими проводами используется как часть рабочего определения силы тока.{-7} \ text {N} / \ text {m} [/ latex]

Последние единицы получены при замене Т на 1Н / (А × м).

Между прочим, это значение лежит в основе рабочего определения ампера. Это означает, что один ампер тока через два бесконечно длинных параллельных проводника (разделенных одним метром в пустом пространстве и без каких-либо других магнитных полей) вызывает силу 2 × 10 -7 Н / м на каждый провод.

Страница не найдена | MIT

Перейти к содержанию ↓
  • Образование
  • Исследовать
  • Инновации
  • Прием + помощь
  • Студенческая жизнь
  • Новости
  • Выпускников
  • О Массачусетском технологическом институте
  • Подробнее ↓
    • Прием + помощь
    • Студенческая жизнь
    • Новости
    • Выпускников
    • О Массачусетском технологическом институте
Меню ↓ Поиск Меню Ой, похоже, мы не смогли найти то, что вы искали!
Попробуйте поискать что-нибудь еще! Что вы ищете? Увидеть больше результатов

Предложения или отзывы?

Магнитная сила - AP Physics 2

Если вы считаете, что контент, доступный через Веб-сайт (как определено в наших Условиях обслуживания), нарушает или другие ваши авторские права, сообщите нам, отправив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному ниже агенту.Если репетиторы университета предпримут действия в ответ на ан Уведомление о нарушении, оно предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, которая предоставила такой контент средствами самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении прав может быть отправлено стороне, предоставившей доступ к контенту, или третьим лицам, таким как в виде ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатам), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или действие нарушает ваши авторские права.Таким образом, если вы не уверены, что контент находится на Веб-сайте или по ссылке с него нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к юристу.

Чтобы отправить уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись правообладателя или лица, уполномоченного действовать от их имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробностей, чтобы позволить репетиторам университетских школ найти и точно идентифицировать этот контент; например нам требуется а ссылка на конкретный вопрос (а не только на название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса - изображению, ссылке, тексту и т. д. - относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; а также Ваше заявление: (а) вы добросовестно считаете, что использование контента, который, по вашему утверждению, нарушает ваши авторские права не разрешены законом, владельцем авторских прав или его агентом; (б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство, что вы либо владелец авторских прав, либо лицо, уполномоченное действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему уполномоченному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
St. Louis, MO 63105

Или заполните форму ниже:

Магнитная сила | TeachSpin

Магнитная сила

  • Измеряет магнитный момент по магнитной силе

  • Измеряет дБ / dz в зависимости от z для токовой петли

  • устраняет распространенные заблуждения E&M

Введение

MF1-A - это практический прибор, предназначенный для исследования сил, действующих на диполь постоянного магнитного поля внешними магнитными полями.Практически во всех вводных текстах обсуждаются магнитные силы, действующие на диполи, однако у студентов не было возможности провести ни качественные, ни количественные эксперименты с этим взаимодействием.

MF1-A использует небольшой постоянно намагниченный диск неодим-железо-бор в качестве модельной системы для идеального дипольного момента и пару катушек Гельмгольца для создания внешних магнитных полей. Различные эксперименты с использованием MF1-A подходят как для старшеклассников, так и для студентов. Из обширного опыта TeachSpin, демонстрирующего Magnetic Torque Mt1-A, мы убеждены, что эксперименты с магнитной силой не только удивят (даже удивят) большинство студентов, но и помогут прояснить самые распространенные заблуждения в области физики в E&M.Мы разработали этот доступный по цене прибор, чтобы дать студентам конкретный опыт изучения магнитных сил.

Эксперименты

Хотя доступно множество качественных демонстраций электромагнетизма, Magnetic Force предоставляет практические количественные эксперименты по электромагнетизму, с помощью которых учащиеся не только сталкиваются с неправильными представлениями, но и имеют возможность исследовать некоторые последствия закона Био-Савара. .

MF1-A состоит из пары катушек в конфигурации Гельмгольца и небольшого намагниченного диска, установленного так, чтобы он мог вращаться в кардане, который подвешен на пружине.Используя закон Гука, измерение отклонения пружины можно использовать для определения магнитной силы на диске. Пружину можно откалибровать, прикрепив стальные шарикоподшипники весом один грамм, а катушки можно использовать по отдельности или вместе двумя способами:

Измерение магнитной силы
Есть четыре основные цели:

  1. Чтобы продемонстрировать отсутствие чистой магнитной силы на магнитный диполь в области однородного магнитного поля. Катушки соединены последовательно, и ток, циркулирующий в одном направлении в обеих катушках.

    При наличии однородного поля в 65 Гаусс пружина не удлиняется и не сжимается. Это почти всегда удивляет студентов, которые ожидают, что диполь будет двигаться вверх или вниз в зависимости от его ориентации по отношению к полю. Наблюдение за тем, что диполь вращается только для выравнивания по полю, заставляет студентов пересмотреть свои предвзятые представления о магнетизме.

  2. Показать, что чистая магнитная сила на диполе существует только при наличии градиента магнитного поля, пространственно изменяющегося поля.Для этих экспериментов катушки соединены последовательно с токами, текущими в противоположных направлениях, создавая градиент поля вдоль оси.

  3. Для определения величины магнитного момента диполя путем измерения магнитной силы в градиенте поля dB / dz. Основное соотношение:

    Fm = µ (дБ / dz)

    Градиент осевого магнитного поля для N витков одиночной катушки может быть найден путем дифференцирования выражения для осевого магнитного поля, что дает:

    дБ / dz = ( 3/2) (µ0IN) (R2z) (R2 + z2) -5/2

    Используя физические параметры катушек MF1-A, студенты могут рассчитать градиент поля в любом осевом положении.После калибровки пружины студенты могут измерить магнитную силу как функцию градиента поля. Величину магнитного момента можно построить по наклону данных ученика, показанных на рисунке 1. Показанные измерения были сделаны в средней точке катушек.

  4. Для исследования градиента осевого магнитного поля одиночной токоведущей петли. Величину градиента поля можно определить экспериментально по магнитной силе. Учащиеся могут сравнить графики теоретических и экспериментальных значений (рис. 2), взяв производную уравнения для осевого магнитного поля токовой петли, стандартного применения закона Био-Савара.

Дополнительные ресурсы

Технические характеристики

Катушки:
168 витков на катушку
Средний радиус = 7,0 см
Разделение = 7,0 см (состояние Гельмгольца)
Сопротивление тока = 2,890 = 0-3 Ампер


Разное:
Магнитный момент ~ 0,4 А-м2
Постоянная пружины = 1 Н / м
Блок питания не включен
Гарантия: два года, комплектующие и ремонт

магнетизм | Национальное географическое общество

Магнетизм - это сила, проявляемая магнитами, когда они притягиваются или отталкиваются друг от друга.Магнетизм вызывается движением электрических зарядов.

Каждое вещество состоит из крошечных единиц, называемых атомами. В каждом атоме есть электроны, частицы, несущие электрические заряды. Вращаясь, как волчки, электроны вращаются вокруг ядра или остова атома. Их движение генерирует электрический ток и заставляет каждый электрон действовать как микроскопический магнит.

В большинстве веществ одинаковое количество электронов вращается в противоположных направлениях, что нейтрализует их магнетизм. Вот почему такие материалы, как ткань или бумага, считаются слабомагнитными.В таких веществах, как железо, кобальт и никель, большинство электронов вращаются в одном направлении. Это делает атомы в этих веществах сильно магнитными, но они еще не магниты.

Чтобы стать намагниченным, другое сильно магнитное вещество должно войти в магнитное поле существующего магнита. Магнитное поле - это область вокруг магнита, обладающая магнитной силой.

Все магниты имеют северный и южный полюса. Противоположные полюса притягиваются друг к другу, а одни и те же полюса отталкиваются.Когда вы протираете кусок железа по магниту, северные полюса атомов в железе выстраиваются в одном направлении. Сила, создаваемая выровненными атомами, создает магнитное поле. Железка стала магнитом.

Некоторые вещества могут намагничиваться электрическим током. Когда электричество проходит через катушку с проволокой, создается магнитное поле. Однако поле вокруг катушки исчезнет, ​​как только отключится электрический ток.

Геомагнитные полюса

Земля - ​​это магнит.Ученые не до конца понимают, почему, но они думают, что движение расплавленного металла во внешнем ядре Земли порождает электрические токи. Токи создают магнитное поле с невидимыми силовыми линиями, протекающими между магнитными полюсами Земли.

Геомагнитные полюса не совпадают с Северным и Южным полюсами. Магнитные полюса Земли часто перемещаются из-за активности далеко под поверхностью Земли. Смещение геомагнитных полюсов фиксируется в породах, которые образуются, когда расплавленный материал, называемый магмой, проникает сквозь земную кору и изливается в виде лавы.Когда лава остывает и превращается в твердую породу, сильно магнитные частицы внутри породы намагничиваются магнитным полем Земли. Частицы выстраиваются вдоль силовых линий в поле Земли. Таким образом, камни фиксируют положение геомагнитных полюсов Земли в то время.

Как ни странно, магнитные записи пород, образовавшихся в одно и то же время, похоже, указывают на разные местоположения полюсов. Согласно теории тектоники плит, скальные плиты, составляющие твердую оболочку Земли, постоянно перемещаются.Таким образом, плиты, на которых застывала порода, переместились с тех пор, как породы зафиксировали положение геомагнитных полюсов. Эти магнитные записи также показывают, что геомагнитные полюса менялись на противоположный вид - сотни раз с момента образования Земли.

Магнитное поле Земли не движется быстро и часто не меняется. Следовательно, это может быть полезным инструментом, помогающим людям сориентироваться. Сотни лет люди использовали магнитные компасы для навигации по магнитному полю Земли.Магнитная стрелка компаса совпадает с магнитными полюсами Земли. Северный конец магнита указывает на северный магнитный полюс.

Магнитное поле Земли доминирует в области, называемой магнитосферой, которая охватывает планету и ее атмосферу. Солнечный ветер, заряженные частицы от Солнца, прижимает магнитосферу к Земле со стороны, обращенной к Солнцу, и растягивает ее в форме капли на теневой стороне.

Магнитосфера защищает Землю от большинства частиц, но некоторые из них просачиваются сквозь нее и попадают в ловушку.Когда частицы солнечного ветра сталкиваются с атомами газа в верхних слоях атмосферы вокруг геомагнитных полюсов, они создают световые эффекты, называемые полярными сияниями. Эти полярные сияния появляются над такими местами, как Аляска, Канада и Скандинавия, где их иногда называют «Северным сиянием».


Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *