Aby zrozumieć, czym jest pole magnetyczne, należy zdefiniować wiele zjawisk. Jednocześnie musisz z góry pamiętać, jak i dlaczego się pojawia. Dowiedz się, jaka jest moc charakterystyczna pola magnetycznego. Ważne jest również to, że takie pole może wystąpić nie tylko w magnesach. W związku z tym nie zaszkodzi wspomnieć o właściwościach ziemskiego pola magnetycznego.
Wyjście w terenie
Najpierw powinniśmy opisać wygląd pola. Następnie możesz opisać pole magnetyczne i jego charakterystykę. Pojawia się podczas ruchu naładowanych cząstek. Może wpływać na poruszające się ładunki elektryczne, zwłaszcza na przewodnikach przewodzących. Oddziaływanie między polem magnetycznym a poruszającymi się ładunkami lub przewodnikami, przez które przepływa prąd, zachodzi dzięki siłom zwanym elektromagnetycznymi.
Charakterystyka natężenia lub mocy pola magnetycznego wpewien punkt przestrzenny jest określany za pomocą indukcji magnetycznej. Ten ostatni jest oznaczony symbolem B.
Graficzna reprezentacja pola
Pole magnetyczne i jego charakterystykę można przedstawić graficznie za pomocą linii indukcyjnych. Definicja ta nazywana jest liniami, których styczne będą się pokrywać w dowolnym punkcie z kierunkiem wektora y indukcji magnetycznej.
Linie te są zawarte w charakterystyce pola magnetycznego i służą do określania jego kierunku i natężenia. Im wyższa intensywność pola magnetycznego, tym więcej linii danych zostanie narysowanych.
Co to są linie magnetyczne
Linie magnetyczne w prostych przewodnikach z prądem mają kształt koncentrycznego koła, którego środek znajduje się na osi tego przewodnika. Kierunek linii magnetycznych w pobliżu przewodów z prądem określa reguła świderka, która brzmi tak: jeśli świder jest umieszczony tak, że będzie wkręcany w przewód zgodnie z kierunkiem prądu, to kierunek obrotu uchwyt odpowiada kierunkowi linii magnetycznych.
Dla cewki z prądem kierunek pola magnetycznego będzie również określony przez regułę świderka. Wymagane jest również obracanie klamki w kierunku prądu w zwojach elektrozaworu. Kierunek linii indukcji magnetycznej będzie odpowiadał kierunkowi ruchu translacyjnego świdra.
Definicja jednorodności i niejednorodności jest główną cechą pola magnetycznego.
Stworzony przez jeden prąd, w równych warunkach, polebędzie różnić się intensywnością w różnych mediach ze względu na różne właściwości magnetyczne tych substancji. Właściwości magnetyczne ośrodka charakteryzują się bezwzględną przenikalnością magnetyczną. Mierzone w henrach na metr (g/m).
Charakterystyka pola magnetycznego obejmuje absolutną przenikalność magnetyczną próżni, zwaną stałą magnetyczną. Wartość, która określa, ile razy bezwzględna przenikalność magnetyczna ośrodka będzie się różnić od stałej, nazywana jest przenikalnością magnetyczną względną.
Przepuszczalność magnetyczna substancji
To jest ilość bezwymiarowa. Substancje o wartości przepuszczalności mniejszej niż jeden nazywane są diamagnetycznymi. W tych substancjach pole będzie słabsze niż w próżni. Te właściwości są obecne w wodorze, wodzie, kwarcu, srebrze itp.
Media o przepuszczalności magnetycznej większej niż jeden nazywane są paramagnetycznymi. W tych substancjach pole będzie silniejsze niż w próżni. Te media i substancje obejmują powietrze, aluminium, tlen, platynę.
W przypadku substancji paramagnetycznych i diamagnetycznych, wartość przenikalności magnetycznej nie będzie zależeć od napięcia zewnętrznego pola magnesującego. Oznacza to, że wartość jest stała dla danej substancji.
Ferromagnesy należą do specjalnej grupy. Dla tych substancji przepuszczalność magnetyczna osiągnie kilka tysięcy lub więcej. Substancje te, które mają właściwość namagnesowania i wzmacniania pola magnetycznego, są szeroko stosowane w elektrotechnice.
Siła pola
W celu określenia charakterystyki pola magnetycznego, wraz z wektorem indukcji magnetycznej, można użyć wartości zwanej natężeniem pola magnetycznego. Termin ten jest wielkością wektorową, która określa natężenie zewnętrznego pola magnetycznego. Kierunek pola magnetycznego w ośrodku o takich samych właściwościach we wszystkich kierunkach, wektor natężenia będzie pokrywał się z wektorem indukcji magnetycznej w punkcie pola.
Silne właściwości magnetyczne ferromagnesów są wyjaśnione przez obecność w nich przypadkowo namagnesowanych małych części, które można przedstawić jako małe magnesy.
Bez pola magnetycznego substancja ferromagnetyczna może nie mieć wyraźnych właściwości magnetycznych, ponieważ pola domenowe przyjmują różne orientacje, a ich całkowite pole magnetyczne wynosi zero.
Zgodnie z główną charakterystyką pola magnetycznego, jeśli ferromagnes zostanie umieszczony w zewnętrznym polu magnetycznym, na przykład w cewce z prądem, to pod wpływem pola zewnętrznego domeny zamienią się w kierunek pola zewnętrznego. Ponadto pole magnetyczne na cewce wzrośnie, a indukcja magnetyczna wzrośnie. Jeśli pole zewnętrzne jest wystarczająco słabe, to tylko część wszystkich domen, których pola magnetyczne zbliżają się do kierunku pola zewnętrznego, odwróci się. Wraz ze wzrostem natężenia pola zewnętrznego, liczba obróconych domen wzrośnie, a przy określonej wartości napięcia pola zewnętrznego prawie wszystkie części zostaną obrócone tak, aby pola magnetyczne znajdowały się w kierunku pola zewnętrznego. Ten stan nazywamy nasyceniem magnetycznym.
Zależność między indukcją magnetyczną a intensywnością
Zależność między indukcją magnetyczną substancji ferromagnetycznej a natężeniem pola zewnętrznego można przedstawić za pomocą wykresu zwanego krzywą namagnesowania. Na zakręcie wykresu krzywej szybkość wzrostu indukcji magnetycznej maleje. Po zakręcie, gdzie naprężenie osiąga pewien poziom, następuje nasycenie, a krzywa lekko się podnosi, stopniowo przybierając kształt linii prostej. W tej sekcji indukcja wciąż rośnie, ale raczej powoli i tylko ze względu na wzrost siły pola zewnętrznego.
Zależność graficzna danych wskaźnika nie jest bezpośrednia, co oznacza, że ich stosunek nie jest stały, a przenikalność magnetyczna materiału nie jest wskaźnikiem stałym, ale zależy od pola zewnętrznego.
Zmiany właściwości magnetycznych materiałów
Przy zwiększeniu prądu do pełnego nasycenia w cewce z rdzeniem ferromagnetycznym, a następnie jego zmniejszeniu, krzywa magnesowania nie będzie pokrywać się z krzywą rozmagnesowania. Przy zerowej intensywności indukcja magnetyczna nie będzie miała tej samej wartości, ale uzyska pewien wskaźnik zwany resztkową indukcją magnetyczną. Sytuacja z opóźnieniem indukcji magnetycznej od siły magnesującej nazywana jest histerezą.
Aby całkowicie rozmagnesować rdzeń ferromagnetyczny w cewce, należy podać prąd wsteczny, który wytworzy niezbędne napięcie. Do różnych ferromagnetykówsubstancji, potrzebny jest segment o różnej długości. Im jest większy, tym więcej energii potrzeba do rozmagnesowania. Wartość, przy której materiał jest całkowicie rozmagnesowany, nazywana jest siłą przymusu.
Wraz z dalszym wzrostem prądu w cewce, indukcja ponownie wzrośnie do wskaźnika nasycenia, ale z innym kierunkiem linii magnetycznych. Podczas rozmagnesowywania w przeciwnym kierunku uzyskana zostanie indukcja szczątkowa. Zjawisko magnetyzmu szczątkowego wykorzystuje się do tworzenia magnesów trwałych z substancji o wysokim magnetyzmie szczątkowym. Materiały z możliwością przemagnesowania są wykorzystywane do tworzenia rdzeni do maszyn i urządzeń elektrycznych.
Zasada lewej ręki
Siła działająca na przewodnik z prądem ma kierunek określony regułą lewej ręki: gdy dłoń dziewiczej dłoni jest umieszczona w taki sposób, że wchodzą w nią linie magnetyczne, a cztery palce są wyciągnięte w kierunku prądu w przewodniku zgięty kciuk wskazuje kierunek siły. Siła ta jest prostopadła do wektora indukcyjnego i prądu.
Przewodzący prąd poruszający się w polu magnetycznym jest uważany za prototyp silnika elektrycznego, który zamienia energię elektryczną na energię mechaniczną.
Zasada prawej ręki
Podczas ruchu przewodnika w polu magnetycznym indukowana jest w nim siła elektromotoryczna, która ma wartość proporcjonalną do indukcji magnetycznej, długości przewodnika i prędkości jego ruchu. Ta zależność nazywana jest indukcją elektromagnetyczną. Na określając kierunek indukowanego pola elektromagnetycznego w przewodniku stosuje się zasadę prawej ręki: gdy prawa ręka znajduje się tak samo, jak w przykładzie z lewej strony, linie magnetyczne wchodzą w dłoń, a kciuk wskazuje kierunek ruch przewodnika, wyciągnięte palce wskazują kierunek indukowanego pola elektromagnetycznego. Przewodnik poruszający się w strumieniu magnetycznym pod wpływem zewnętrznej siły mechanicznej jest najprostszym przykładem generatora elektrycznego, w którym energia mechaniczna jest zamieniana na energię elektryczną.
Prawo indukcji elektromagnetycznej można sformułować w różny sposób: w obwodzie zamkniętym indukowana jest siła elektromotoryczna, przy każdej zmianie strumienia magnetycznego pokrywanego przez ten obwód, EFE w obwodzie jest liczbowo równa szybkości zmian strumienia magnetycznego pokrywającego ten obwód.
Ta forma zapewnia średni wskaźnik pola elektromagnetycznego i wskazuje zależność pola elektromagnetycznego nie od strumienia magnetycznego, ale od szybkości jego zmiany.
Prawo Lenza
Musisz również pamiętać o prawie Lenza: prąd indukowany przez zmianę pola magnetycznego przechodzącego przez obwód, jego pole magnetyczne zapobiega tej zmianie. Jeżeli zwoje cewki są przebijane przez strumienie magnetyczne o różnych wielkościach, wówczas siła elektromotoryczna indukowana na całej cewce jest równa sumie siły elektromotorycznej w różnych zwojach. Suma strumieni magnetycznych różnych zwojów cewki nazywana jest połączeniem strumienia. Jednostką miary tej wielkości oraz strumienia magnetycznego jest weber.
Gdy zmienia się prąd elektryczny w obwodzie, zmienia się również wytworzony przez niego strumień magnetyczny. Jednocześnie, zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej, wewnątrzprzewodnik, indukowane jest pole elektromagnetyczne. Pojawia się w związku ze zmianą prądu w przewodniku, dlatego zjawisko to nazywa się samoindukcją, a pole elektromagnetyczne indukowane w przewodniku nazywa się samoindukcją.
Połączenie strumienia i strumień magnetyczny zależą nie tylko od natężenia prądu, ale także od rozmiaru i kształtu danego przewodnika oraz przepuszczalności magnetycznej otaczającej substancji.
Indukcyjność przewodu
Współczynnik proporcjonalności nazywany jest indukcyjnością przewodnika. Odnosi się do zdolności przewodnika do tworzenia powiązania strumienia, gdy przepływa przez niego energia elektryczna. Jest to jeden z głównych parametrów obwodów elektrycznych. W przypadku niektórych obwodów indukcyjność jest stała. Będzie to zależeć od wielkości konturu, jego konfiguracji i przepuszczalności magnetycznej ośrodka. W takim przypadku natężenie prądu w obwodzie i strumień magnetyczny nie będą miały znaczenia.
Powyższe definicje i zjawiska wyjaśniają czym jest pole magnetyczne. Podano również główne cechy pola magnetycznego, za pomocą których można zdefiniować to zjawisko.
