Магнитное поле
Магнитное поле играет очень большую роль в электротехнике и электронике. Без магнитного поля не функционировали бы герконы, электромагнитные реле, соленоиды, катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы, двигатели, динамики, генераторы электрической энергии да и вообще много чего.
Природа магнетизма
Согласно одной из легенд, когда-то давным-давно жил в Греции пастух по имени Магнес. И вот шел он как-то со своим стадом овец, присел на камень и обнаружил, что конец его посоха, сделанный из железа, стал притягиваться к этому камню. С тех пор стали называть этот камень магнетит в честь Магнеса. Этот камень представляет из себя оксид железа.
Если такой камень положить на деревянную доску на воду или подвесить на нитке, то он всегда выстраивался в определенном положении. Один его конец всегда показывал на СЕВЕР, а другой — на ЮГ.
Этим свойством камня пользовались древние цивилизации. Поэтому, это был своего рода первый компас. Потом уже стали обтачивать такой камень и делать из разные фигурки. Например, так выглядел китайский древний компас, ложка которого была сделана из того самого магнетита. Ручка у этой ложки всегда показывала на ЮГ.
Ну а далее дело шло за практичностью и маленькими габаритами. Из магнетита вытачивали маленькие стрелки, которые подвешивали на тонкую иглу посередине. Так стали появляться первые малогабаритные компасы.
Древние цивилизации, конечно, не знали еще что такое север и юг. Поэтому, одну сторону магнетита они назвали северным полюсом (North), а противоположный конец — южным (South). Названия на английском очень легко запомнить, если кто смотрел американский мультфильм «Южный парк», он же Сауз (South) парк).
Магнитные линии и магнитный поток
Вокруг магнита экспериментальным путем были обнаружены магнитные силовые линии. Эти магнитные линии создают так называемое магнитное поле.
Как вы могли заметить на рисунке, концентрация магнитных силовых линий на самых краях магнита намного больше, чем в его середине. Это говорит о том, что магнитное поле является более сильным именно на краях магнита, а в его середине практически равна нулю. Направлением магнитных силовых линий считается направление от севера к югу.
Ошибочно считать, что магнитные силовые линии начинают свое движение от северного полюса и заканчивают свой век на южном. Это не так. Магнитные линии — они замкнуты и непрерывны. В магните это будет выглядеть примерно так.
Если приблизить два разноименных полюса, то произойдет притягивание магнитов
Если же приблизить одноименными полюсами, то произойдет их отталкивание
Итак, ниже важные свойства магнитных силовых линий.
Магнитные силовые линии, которые образуют магнитное поле, называют также магнитным потоком.
Итак, давайте рассмотрим два рисунка и ответим себе на вопрос, где плотность магнитного потока будет больше? На рисунке «а» или на рисунке «б»?
Видим, что на рисунке «а» мало силовых магнитных линий, а на рисунке «б» их концентрация намного больше. Отсюда можно сделать вывод, что плотность магнитного потока на рисунке «б» больше, чем на рисунке «а».
В физике формула магнитного потока записывается как
Ф — магнитный поток, Вебер
В — плотность магнитного потока, Тесла
а — угол между перпендикуляром n (чаще его зовут нормалью) и плоскостью S, в градусах
S — площадь, через которую проходит магнитный поток, м 2
Что же такое 1 Вебер? Один вебер — это магнитный поток, который создается полем индукцией 1 Тесла через площадку 1м 2 расположенной перпендикулярно направлению магнитного поля.
Напряженность магнитного поля
Формула напряженности
Слышали ли вы когда-нибудь такое выражение: «напряженность между ними все росла и росла». То есть по сути напряженность — это что-то невидимое, какая-то сдерживающая сила, энергия. Здесь почти все то же самое. Напряженностью магнитного поля также часто называют силой магнитного поля. Напряженность магнитного поля напрямую зависит от плотности магнитного потока и выражается формулой
H — напряженность магнитного поля, Ампер/метр
B — плотность магнитного потока, Тесла
Эта формула работает только тогда, когда между витками катушки находится воздух, либо вакуум. Более крутая формула выглядит вот так.
μ — это относительная магнитная проницаемость.
У разных веществ она разная
Напряженность магнитного поля проводника с током
Итак, имеем какой-либо проводник, по которому течет электрический ток.
Для того, чтобы вычислить напряженность магнитного поля на каком-то расстоянии от проводника при условии, что проводник находится в воздушном пространстве либо в вакууме, достаточно воспользоваться формулой
H — напряженность магнитного поля, Ампер/метр
I — сила тока, текущая через проводник, Ампер
r — расстояние до точки, в которой измеряется напряженность, метр
Магнитное поле проводника с током
Оказывается, если через какой-либо проводник пропустить электрический ток, то вокруг проводника образуется магнитное поле.
Здесь можно вспомнить знаменитое правило буравчика, но для наглядности я лучше буду использовать правило самореза, так как почти все хоть раз в жизни ввинчивали либо болт, либо саморез.
Ввинчиваем по часовой стрелке — саморез идет вниз. В нашем случае он показывает направление электрического тока. Движение наших рук показывает направление линий магнитного поля. Все то же самое, когда мы начинаем откручивать саморез. Он начинает вылазить вверх, то есть в нашем случае показывает направление электрического тока, а наша рука в этом время рисует в воздухе направление линий магнитного поля.
Также часто в учебниках физики можно увидеть, что направление электрического тока от нас рисуют кружочком с крестиком, а к нам — кружочком с точкой. В этом случае опять представляем себе саморез и уже в голове увидим направление магнитного поля.
Как думаете, что будет если мы сделаем вот такую петельку из провода? Что изменится в этом случае?
Давайте же рассмотрим этот случай более подробно. Так в этой плоскости оба проводника создают магнитное поле, то по идее они должны отталкиваться друг от друга. Но если они хорошо закреплены, то начинается самое интересное. Давайте рассмотрим вид сверху, как это выглядит.
Как вы можете заметить, в области, где суммируются магнитные силовые линии плотность магнитного потока прям зашкаливает.
Соленоид
А что если сделать много-много таких петелек? Взять какую-нибудь круглую бобину, намотать на нее провод и потом убрать бобину. У нас должно получится что-то типа этого.
Если подать постоянное напряжение на такую катушку, магнитные силовые линии будут выглядеть вот так.
Вы только посмотрите, какая бешеная плотность магнитного потока внутри такой катушки! Получается, что от каждой петельки магнитное поле суммируется, что в итоге дает такую плотность магнитного потока. Такую катушку также называют катушкой индуктивности или соленоидом.
Вот также схема, показывающая как магнитные силовые линии складываются в соленоиде.
Плотность магнитного потока зависит от того, какая сила тока проходит через соленоид. Чтобы увеличить плотность магнитного потока, достаточно поверх витков намотать еще больше витков и вставить сердечник из специального материала — феррита.
Если в электрических цепях есть такое понятие, как ЭДС — электродвижущая сила, то и в магнитных цепях есть свой аналог — МДС — магнитодвижущая сила. Магнитодвижущая сила выражается в виде тока, протекающего через катушку из N витков и выражается в Амперах-витках.
I — это сила тока в катушке, Амперы
N — количество витков катушки, штуки)
Также советую посмотреть очень простое и интересное видео про магнитное поле.
Похожие статьи по теме «магнитное поле»
Сайт про изобретения своими руками
МозгоЧины
Сайт про изобретения своими руками
Как самому создать магнитную левитацию в домашних условиях
Как самому создать магнитную левитацию в домашних условиях
Магнитная левитация — метод, позволяющий с использованием только силы магнитного поля поднять и переместить предметы. Подобное явление применяют для нейтрализации различных ускорений, например, свободного падения.
Сам термин «левитация» имеет английское происхождение: levitate – подняться в воздухе. Это состояние, преодоления объектом гравитации: парение в воздухе, ни на что не опираясь, не отталкиваясь, не используя реактивную тягу. Физики дают такое определение левитации: стабильное положение предмета в поле гравитации, где сила тяжести встречает сопротивление возвращающей силы, что обеспечивает стабильное положение в пространстве. Левитация в естественном состоянии не существует.
Способы реализации магнитной левитации
Обеспечить равновесие объекта в пространстве можно, применив несколько способов: сервомеханизмы, диамагнетики, сверхпроводники и системы с вихревыми токами. Такие устройства дают возможность объекту сохранить равновесие, когда он поднят над основой с магнитом. Как сделать левитирующий прибор самостоятельно выясним в статье.
Электромагнитная левитация с системой слежения
Собрав устройство на основе электромагнита с использованием фотореле достигают левитации мелких металлических предметов. Они зависают в воздухе, приподнимаясь над электромагнитом, который закреплен на стойке. Электромагнит работает, пока предмет не затеняет фотоэлемент в стойке, то есть он получает световой сигнал от контрольной точки и предмет медленно поднимается.
Поднявшись на расчётное расстояние, предмет перекрывает контрольную точку, на фотоэлемент попадает тень, магнит отключается и предмет падает. Но окончательно упасть на стойку он не успевает: как только с контрольной точки уходит тень, фотоэлемент срабатывает, и магнит вновь включается. Досконально отрегулировав систему можно добиться ощущения парения предмета в воздухе.
Этот принцип положен в основу изготовления сувенирных левитирующих глобусов
Диамагнитная левитация
Самым доступным диамагнетиком (свойство намагничиваться против магнитного поля) является грифель карандаша из графита. У него сильная магнитная восприимчивость. Способен проявлять левитацию над неодимовым магнитом при температуре от 15 °C до 25 °C. Для создания магнитной ловушки полюса магнитов располагают в шахматном порядке.
Магнит с показателем индукции в 1Тл способен повиснуть между висмутовыми пластинами. Создав магнитное поле в 11 Тл, можно стабилизировать его левитацию даже между пальцами, так как они тоже диамагнетики.
Левитация магнита над сверхпроводником (эффект Мейснера)
Взяв пластину из оксида иттрия-бария-меди и охладив ее до −195,75 °C (жидкий азот), мы придаем ей свойства сверхпроводника. Положим под подставку с неодимовым магнитом эту пластину и уберем подставку: мы видим как магнит левитирует в воздухе.
Минимальная индукция в 1мТл способна приподнять на 4 миллиметра магнит над подобным сверхпроводником. Добавляя индукцию, увеличивается расстояние между пластиной и магнитом.
Это явление основывается на свойстве сверхпроводника выталкивать магнитное поле из сверхпроводящей фазы. Поэтому магнит, сталкиваясь с полем противоположного заряда, отталкивается от него и зависает над сверхпроводником, пока тот не потеряет свойства.
Левитация в условиях вихревых токов
Вихревой ток, возникающий в переменном магнитном поле больших проводников, может удержать некоторые металлические предметы, вызывая левитацию. Например: диск из алюминия может парить над катушкой переменного тока.
Это явление объясняет закон Ленца: индуцированный диском ток создает поле, противоположного направления. Таким образом, диск будет левитировать пока в катушке есть переменный ток. Главное подобрать подходящие габариты катушки.
Такое явление можно увидеть, запустив неодимовый магнит в медную трубу. Опять же индуцированное магнитное поле направляется противоположно магниту и заставляет его парить внутри трубы.
Основные типы магнитной левитации
На парящий предмет воздействует давление, которое можно получить, используя несколько конструкций. Принято выделять электромагнитные конструкции (ЕМS) и электродинамические устройства (EDS).
Системы ЕМS нестабильны в равновесном положении. Для приемлемой работы требуется оснащение автоматизированной системой управления, которая обеспечивает бесперебойный контроль.
Притяжение возможно между ферромагнетическими проводниками и электрическим магнитом. Работа подобных систем основана на принципах действия вихревого тока в проводящем компоненте. Это возможно при наличии переменного магнитного поля.
Система EDS может быть представлена двумя типами взаимодействий:
Сила отталкивания, используемая в электродинамической системе, делает ее инертно стабильной. Что обуславливает использование постоянных магнитов в установках гибридного типа, а не в самостоятельных. Потому что постоянные магниты не обеспечивают стабильности положения в различных степенях свободы.
То есть, не поддерживая другими силами, которые воздействуют на статичность, невозможно обеспечить правильное функционирование системы.
Иногда планируется для обеспечения процесса левитации отойти от применения магнитных материалов и собрать систему из элементов отличной структуры. Тогда все равно возникает необходимость применять магнитные посредники (вставки).
Как сделать магнит своими руками
В основе действия всех левитаторов лежит магнитное основание. При желании можно сделать магнит в домашних условиях. Например, чтобы превратить обычную отвертку в магнитную. Понадобятся: батарейка 5 или 12 вольт, медная проволока, изолента, отвертка.
Магнитная левитация в домашних условиях
В 90х годах XX века очень популярной стала игрушка Левитрон, основанный на воздействии магнитного поля.
Это волчок-левитатор, зависший в воздухе. Подобную игрушку можно собрать в домашних условиях, чтобы понять сущность магнитной левитации. Как сделать левитрон – представим подробную инструкцию.
Список материалов:
Описание процесса сборки пошагово:
Если все сделано правильно, то волчок зависнет. Отладка механизма может занять продолжительное время.
Советы по регулированию волчка:
Таким образом, сделать левитрон своими руками в домашних условиях возможно. На основании представленных материалов можно сконструировать различные сувениры, предметы интерьера, способные порадовать вас и ваших знакомых. Помимо этого можно показывать всевозможные фокусы с магнитами и левитацией детям.
Сверхсильные импульсные магнитные поля
Что такое сверхсильные магнитные поля?
В науке для познания природы в качестве инструментов используются различные взаимодействия и поля. В ходе физического эксперимента исследователь, воздействуя на объект исследования, изучает отклик на это воздействие. Анализируя его, делают заключение о природе явления. Наиболее эффективным средством воздействия является магнитное поле, так как магнетизм – широко распространенное свойство веществ.
Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция. Далее приводится описание наиболее распространенных методов получения сверхсильных магнитных полей, т.е. магнитных полей с индукцией свыше 100 Тл (тесла).
В настоящее время исследования в области создания сверхсильных магнитных полей проводятся в странах – участниках «Megagauss Club» и обсуждаются на Международных конференциях по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам (гаусс – единица измерения магнитной индукции в системе СГС, 1 мегагаусс = 100 тесла).
Для создания магнитных полей такой силы необходима очень большая мощность, поэтому в настоящее время их получение возможно только в импульсном режиме, причем длительность импульса не превышает десятков микросекунд.
Разряд на одновитковый соленоид
Внутренний диаметр и длина используемых катушек обычно не превышают 1 см. Индуктивность их мала (единицы наногенри), поэтому для генерации в них сверхсильных полей требуются токи мегаамперного уровня. Их получают с помощью высоковольтных (10-40 киловольт) конденсаторных батарей с низкой собственной индуктивностью и запасаемой энергией от десятков до сотен килоджоулей. При этом время нарастания индукции до максимального значения не должно превышать 2 микросекунды, иначе разрушение соленоида произойдет раньше, чем будут достигнуто сверхсильное магнитное поле.
Если же величина магнитной индукции превышает значение 400 тесла, то такое магнитное поле обладает плотностью энергии, сравнимой с энергией связи атома в твёрдых телах и намного превышает плотность энергии химических взрывчатых веществ. В зоне действия такого поля происходит, как правило, полное разрушение материала катушки со скоростью разлета материала витка до 1 километра в секунду.
Метод сжатия магнитного потока (магнитная кумуляция)
Для получения максимального магнитного поля (до 2800 Тл) в условиях лаборатории применяется метод сжатия магнитного потока (магнитная кумуляция).
Внутри проводящей цилиндрической оболочки (лайнера) с радиусом r0 и сечением S0 создается аксиальное стартовое магнитное поле с индукцией B0 и магнитным потоком Ф = B0S0 и. Затем лайнер симметрично и достаточно быстро сжимается внешними силами, при этом его радиус уменьшается до rf и площадь сечения до Sf. Пропорционально площади сечения уменьшается и магнитный поток, пронизывающий лайнер. Изменение магнитного потока в соответствии с законом электромагнитной индукции вызывает возникновение в лайнере индуцированного тока, создающего магнитное поле, стремящееся компенсировать уменьшение магнитного потока. При этом магнитная индукция соответственно увеличивается до значения Bf=B0*λ*S0/Sf, где λ – коэффициент сохранения магнитного потока.
Метод магнитной кумуляции реализован в устройствах, получивших название магнитокумулятивных (взрывомагнитных) генераторов. Сжатие лайнера осуществляется давлением продуктов взрыва химических взрывчатых веществ. Источником тока для создания начального магнитного поля служит конденсаторная батарея. Основоположниками исследований в области создания магнитокумулятивных генераторов были Андрей Сахаров (СССР) и Кларенс Фоулер (США).
Применение сверхсильных магнитных полей
Начало использованию сильных магнитных полей в физических исследованиях было положено трудами советского физика Петра Леонидовича Капицы в конце 1920-х годов. Сверхсильные магнитные поля применяются в исследованиях гальваномагнитных, термомагнитных, оптических, магнитно-оптических, резонансных явлений.
Они применяются, в частности:
