Kalıcı mıknatıslar. Kalıcı mıknatısların manyetik alanı. Dünyanın manyetik alanı. Bir manyetik alan. Manyetik alanın özellikleri
Kalıcı mıknatıs nedir
Harici mıknatısın çıkarılmasından sonra önemli miktarda artık mıknatıslanmayı koruyabilen ferromanyetik bir ürün manyetik alan kalıcı mıknatıs denir. Kalıcı mıknatıslar kobalt, demir, nikel, nadir toprak alaşımları (neodimyum mıknatıslar için) gibi çeşitli metallerin yanı sıra manyetit gibi doğal minerallerden yapılır.
Uygulama kapsamı kalıcı mıknatıslar bugün çok geniştir, ancak amaçları temelde her yerde aynıdır - elektrik beslemesi olmadan sabit bir manyetik alan kaynağı olarak. Dolayısıyla mıknatıs kendine ait bir cisimdir.
"Mıknatıs" kelimesinin kendisi, antik çağlarda manyetit yataklarının keşfedildiği Asya şehrinin adından sonra "Magnesia'dan taş" olarak çevrilen Yunanca ifadeden gelmektedir. manyetik demir cevheri. Fiziksel açıdan bakıldığında, temel mıknatıs bir elektrondur ve mıknatısların manyetik özellikleri genellikle mıknatıslanmış malzemenin parçası olan elektronların manyetik momentleri tarafından belirlenir.
Kalıcı mıknatısın yapıldığı malzemenin manyetikliği giderme bölümünün özellikleri, belirli bir kalıcı mıknatısın özelliklerini belirler: zorlayıcı kuvvet Hc ne kadar yüksek olursa ve artık manyetik indüksiyon Br ne kadar yüksek olursa, mıknatıs o kadar güçlü ve daha kararlı olur.
Zorlayıcı kuvvet (kelimenin tam anlamıyla Latince'den çevrilmiştir - “tutma kuvveti”), ferro veya ferrimanyetik bir maddenin tamamen manyetikliğinin giderilmesi için gerekli olan şeydir. Bu nedenle, belirli bir mıknatısın zorlayıcı kuvveti ne kadar büyük olursa, manyetikliği gideren faktörlere karşı o kadar dirençli olur.
Zorlayıcı kuvvetin birimi Amper/metredir. A, bilindiği gibi, manyetik alanın kuvvet özelliği olan bir vektör miktarıdır. Kalıcı mıknatısların artık manyetik indüksiyonunun karakteristik değeri yaklaşık 1 Tesla'dır.
Kalıcı mıknatısların çeşitleri ve özellikleri
Ferrit
Ferrit mıknatıslar kırılgan olmalarına rağmen iyi bir korozyon direncine sahiptirler, bu da onları düşük fiyata en yaygın mıknatıs haline getirir. Bu tür mıknatıslar demir oksit ile baryum veya stronsiyum ferritin alaşımından yapılır. Bu kompozisyon malzemenin -30°C ile +270°C arası geniş bir sıcaklık aralığında manyetik özelliklerini korumasına olanak tanır.
Ferrit halkalar, çubuklar ve at nalı şeklindeki manyetik ürünler hem endüstride hem de günlük yaşamda, teknolojide ve elektronikte yaygın olarak kullanılmaktadır. Akustik sistemlerde, jeneratörlerde vb. kullanılırlar. Otomotiv sektöründe marş motorlarında, cam regülatörlerinde, soğutma sistemlerinde ve fanlarda ferrit mıknatıslar kullanılmaktadır.
Ferrit mıknatıslar yaklaşık 200 kA/m'lik bir zorlayıcı kuvvete ve yaklaşık 0,4 Tesla'lık bir artık manyetik indüksiyona sahiptir. Ortalama olarak bir ferrit mıknatıs 10 ila 30 yıl kadar dayanabilir.
Alnico (alüminyum-nikel-kobalt)
Alüminyum, nikel ve kobalt alaşımına dayalı kalıcı mıknatıslar, eşsiz sıcaklık direnci ve stabilite ile karakterize edilir: zorlayıcılık özellikleri nispeten düşük olmasına rağmen +550°C'ye kadar sıcaklıklarda manyetik özelliklerini koruyabilirler. Nispeten küçük bir manyetik alanın etkisi altında, bu tür mıknatıslar orijinal manyetik özelliklerini kaybedecektir.
Kendiniz karar verin: tipik bir zorlayıcı kuvvet yaklaşık 50 kA/m'dir ve artık mıknatıslanma yaklaşık 0,7 Tesla'dır. Ancak bu özelliğine rağmen alniko mıknatıslar bazı bilimsel araştırmaların vazgeçilmezidir.
Yüksek manyetikliğe sahip alniko alaşımlarının tipik içeriği %7 ila %10 alüminyum, %12 ila %15 nikel, %18 ila %40 kobalt ve %3 ila %4 bakır arasında değişir.
Kobalt ne kadar fazla olursa alaşımın doyma indüksiyonu ve manyetik enerjisi de o kadar yüksek olur. %2 ila %8 titanyum ve yalnızca %1 niyobyum formundaki katkı maddeleri, 145 kA/m'ye kadar daha yüksek bir zorlayıcı kuvvet elde edilmesine yardımcı olur. %0,5 ila 1 oranında silikon eklenmesi izotropik manyetik özellikler sağlar.
Samariaceae
Korozyona, oksidasyona ve +350°C'ye kadar sıcaklıklara karşı olağanüstü bir dirence ihtiyacınız varsa, o zaman kobaltlı samaryumun manyetik alaşımı ihtiyacınız olan şeydir.
Maliyet açısından, samaryum-kobalt mıknatıslar, daha az bulunan ve pahalı metal olan kobalt nedeniyle neodimyum mıknatıslardan daha pahalıdır. Ancak ihtiyaç duyulması halinde kullanılması tavsiye edilir. minimum boyutlar ve nihai ürünlerin ağırlığı.
Bu en uygunudur uzay aracı, havacılık ve bilgisayar ekipmanları, minyatür elektrik motorları ve manyetik kaplinler, giyilebilir alet ve cihazlarda (saatler, kulaklıklar, cep telefonları vesaire.)
Özel korozyon direnci nedeniyle samaryum mıknatısları kullanılır. stratejik gelişmeler ve askeri uygulamalar. Elektrik motorları, jeneratörler, kaldırma sistemleri, motorlu taşıtlar – güçlü mıknatıs için ideal samaryum-kobalt alaşımından yapılmıştır agresif ortamlar ve zor çalışma koşulları. Zorlayıcı kuvvet yaklaşık 700 kA/m'dir ve artık manyetik indüksiyon yaklaşık 1 Tesla'dır.
Neodimyum
Neodimyum mıknatıslar bugün büyük talep görüyor ve en umut verici gibi görünüyor. Neodimyum-demir-bor alaşımı, mandallar ve oyuncaklardan güçlü kaldırma makinelerine kadar çeşitli uygulamalar için süper mıknatıslar oluşturmayı mümkün kılar.
1000 kA/m düzeyindeki yüksek zorlayıcı kuvvet ve 1,1 Tesla düzeyinde artık mıknatıslanma, mıknatısın 10 yıl boyunca korunmasına olanak tanır; bir neodimyum mıknatıs, sıcaklığının altında olması durumunda mıknatıslanmasının yalnızca %1'ini kaybeder; çalışma koşulları +80°C'yi aşmaz (bazı markalarda +200°C'ye kadar). Bu nedenle, neodim mıknatısların yalnızca iki dezavantajı vardır - kırılganlık ve düşük çalışma sıcaklığı.
Manyetik toz, bağlayıcı bileşenle birlikte yumuşak, esnek ve hafif mıknatıs. Vinil, kauçuk, plastik veya akrilik gibi bağlayıcı bileşenler, çeşitli şekil ve boyutlarda mıknatısların elde edilmesini mümkün kılar.
Manyetik kuvvet elbette saf manyetik malzemeden daha düşüktür, ancak bazen mıknatıslar için alışılmadık belirli amaçlara ulaşmak için bu tür çözümler gereklidir: reklam ürünlerinin üretiminde, arabalarda çıkarılabilir çıkartmaların imalatında ve ayrıca imalatta çeşitli kırtasiye ve hediyelik eşya ürünleri.
Mıknatısların benzer kutupları birbirini iter, farklı kutupları ise çeker. Mıknatısların etkileşimi, herhangi bir mıknatısın bir manyetik alana sahip olması ve bu manyetik alanların birbirleriyle etkileşime girmesiyle açıklanmaktadır. Örneğin demirin mıknatıslanmasının nedeni nedir?
Fransız bilim adamı Ampere'nin hipotezine göre, madde içerisinde elektronların atom çekirdekleri etrafında ve kendi eksenleri etrafında hareketi sonucu oluşan temel elektrik akımları (Amper akımları) bulunmaktadır.
Elektronlar hareket ettiğinde temel manyetik alanlar ortaya çıkar. Ve eğer bir demir parçası dış manyetik alana getirilirse, bu demirdeki tüm temel manyetik alanlar dış manyetik alanda eşit olarak yönlendirilir ve demir parçasının kendi manyetik alanını oluşturur. Dolayısıyla, uygulanan dış manyetik alan yeterince güçlüyse, kapatıldıktan sonra bir demir parçası kalıcı bir mıknatıs haline gelecektir.
Kalıcı bir mıknatısın şeklini ve mıknatıslanmasını bilmek, hesaplamalar için onu eşdeğer bir elektrik mıknatıslama akımları sistemiyle değiştirmemize olanak tanır. Böyle bir değiştirme, hem manyetik alanın özelliklerini hesaplarken hem de dış alandan mıknatısa etki eden kuvvetleri hesaplarken mümkündür. Örnek olarak iki kalıcı mıknatıs arasındaki etkileşim kuvvetini hesaplayalım.
Mıknatıslar ince silindir şeklinde olsun, yarıçapları r1 ve r2 ile gösterilecek, kalınlıkları h1, h2 olacak, mıknatısların eksenleri çakışacak, mıknatıslar arasındaki mesafe z ile gösterilecek ve şunu varsayacağız: mıknatısların boyutlarından önemli ölçüde daha büyük olduğunu.
Mıknatıslar arasındaki etkileşim kuvvetinin ortaya çıkışı anlatılıyor geleneksel yol: Bir mıknatıs, ikinci mıknatısı etkileyen bir manyetik alan oluşturur.
Etkileşim kuvvetini hesaplamak için, tek tip mıknatıslanma J1 ve J2'ye sahip mıknatısları, silindirlerin yan yüzeyi boyunca akan dairesel akımlarla zihinsel olarak değiştirelim. Bu akımların kuvvetlerini mıknatısların mıknatıslanmasıyla ifade edeceğiz ve bunların yarıçapları mıknatısların yarıçaplarına eşit kabul edilecektir.
Birinci mıknatısın ikinci konumda yarattığı manyetik alanın indüksiyon vektörünü B iki bileşene ayıralım: mıknatısın ekseni boyunca yönlendirilmiş eksenel ve ona dik radyal.
Halkaya etki eden toplam kuvveti hesaplamak için, onu zihinsel olarak küçük IΔl elemanlarına bölmek ve bu tür elemanların her birine etki eden kuvvetleri toplamak gerekir.
Sol el kuralını kullanarak, manyetik alanın eksenel bileşeninin, halkayı germeye (veya sıkıştırmaya) eğilimli Amper kuvvetlerinin ortaya çıkmasına yol açtığını göstermek kolaydır - bu kuvvetlerin vektör toplamı sıfırdır.
Alanın radyal bir bileşeninin varlığı, mıknatısların ekseni boyunca yönlendirilen Amper kuvvetlerinin ortaya çıkmasına, yani bunların çekilmesine veya itilmesine yol açar. Amper kuvvetlerini hesaplamaya devam ediyor - bunlar iki mıknatıs arasındaki etkileşim kuvvetleri olacak.
Konu: Manyetik alan
Hazırlayan: Baygarashev D.M.
Kontrol eden: Gabdullina A.T.
Bir manyetik alan
İki paralel iletken bir akım kaynağına, içinden bir elektrik akımı geçecek şekilde bağlanırsa, içlerindeki akımın yönüne bağlı olarak iletkenler ya iter ya da çeker.
Bu fenomenin bir açıklaması, iletkenlerin etrafında özel bir madde türünün (manyetik alan) ortaya çıktığı konumdan mümkündür.
Akım taşıyan iletkenlerin etkileşime girdiği kuvvetlere denir manyetik.
Bir manyetik alan- Bu özel çeşitÖzel özelliği hareketli bir elektrik yüküne, akım taşıyan iletkenlere, manyetik momente sahip cisimlere, yük hız vektörüne bağlı bir kuvvete, iletkendeki akımın yönüne ve iletkenin yönüne etkisi olan madde. Vücudun manyetik momenti.
Manyetizmanın tarihi eski çağlara, Küçük Asya'nın eski uygarlıklarına kadar uzanır. Magnesia'da Küçük Asya topraklarında buldular kaynakörnekleri birbirini çekiyordu. Bölgenin adına göre bu tür örneklere “mıknatıs” adı verilmeye başlandı. Herhangi bir çubuk veya at nalı şeklindeki mıknatısın kutup adı verilen iki ucu vardır; Manyetik özelliklerinin en belirgin olduğu yer burasıdır. Bir ipe mıknatıs asarsanız kutuplardan biri daima kuzeyi gösterir. Pusula bu prensibe dayanmaktadır. Serbest asılı bir mıknatısın kuzeye bakan kutbu, mıknatısın kuzey kutbu (N) olarak adlandırılır. Karşı kutba güney kutbu (S) denir.
Manyetik kutuplar birbirleriyle etkileşime girer: benzer kutuplar birbirini iter, farklı kutuplar ise çeker. Benzer konsept Elektrik alanı Bir elektrik yükünü çevreleyen, bir mıknatısın etrafındaki manyetik alan fikrini ortaya koyun.
1820'de Oersted (1777-1851), bir elektrik iletkeninin yanına yerleştirilen manyetik iğnenin, iletken içinden akım geçtiğinde saptığını, yani akım taşıyan iletkenin etrafında bir manyetik alan oluştuğunu keşfetti. Akımlı bir çerçeve alırsak, dış manyetik alan çerçevenin manyetik alanıyla etkileşime girer ve üzerinde yönlendirici bir etkiye sahiptir, yani. çerçevenin, dış manyetik alanın üzerinde maksimum dönme etkisine sahip olduğu bir konumu vardır. ve tork kuvvetinin sıfır olduğu bir konum vardır.
Herhangi bir noktadaki manyetik alan, B vektörü ile karakterize edilebilir. manyetik indüksiyon vektörü veya manyetik indüksiyon noktada.
Manyetik indüksiyon B vektördür fiziksel miktar bir noktadaki manyetik alanın kuvvet karakteristiğidir. Düzgün bir alana yerleştirilmiş akımla bir çerçeveye etki eden maksimum mekanik kuvvetlerin momentinin, çerçevedeki ve alanının akım kuvvetinin çarpımına oranına eşittir:
Manyetik indüksiyon vektörü B'nin yönü, sıfıra eşit mekanik torkla sağ vida kuralıyla çerçevedeki akımla ilişkili olan çerçeveye pozitif normalin yönü olarak alınır.
Elektrik alan kuvvet çizgileri nasıl tasvir ediliyorsa, manyetik alan indüksiyon çizgileri de gösterilmektedir. Manyetik alan çizgisi, teğeti bir noktada B yönüne denk gelen hayali bir çizgidir.
Belirli bir noktadaki manyetik alanın yönleri aynı zamanda şunu gösteren yön olarak da tanımlanabilir:
Pusula iğnesinin kuzey kutbu bu noktaya yerleştirilir. Manyetik alan çizgilerinin kuzey kutbundan güneye doğru yönlendirildiğine inanılmaktadır.
Düz bir iletkenden geçen elektrik akımının oluşturduğu manyetik alanın manyetik indüksiyon hatlarının yönü, burgu veya sağ vida kuralıyla belirlenir. Manyetik indüksiyon hatlarının yönü, vida başının dönme yönü olarak alınır; bu, yönde öteleme hareketini sağlar. elektrik akımı(Şekil 59).
burada n01 = 4 Pi 10 -7 Vs/(Am). - manyetik sabit, R - mesafe, I - iletkendeki akım gücü.
Pozitif yükte başlayıp negatif yükte biten elektrostatik alan çizgilerinin aksine, manyetik alan çizgileri her zaman kapalıdır. Elektrik yüküne benzer bir manyetik yük tespit edilmedi.
Bir tesla (1 T) bir indüksiyon birimi olarak alınır - maksimum 1 Nm mekanik torkun, içinden bir akımın geçtiği 1 m2 alana sahip bir çerçeveye etki ettiği böyle düzgün bir manyetik alanın indüksiyonu. 1 A akar.
Manyetik alan indüksiyonu, manyetik alanda akım taşıyan bir iletkene etki eden kuvvetle de belirlenebilir.
Manyetik alana yerleştirilen akım taşıyan bir iletkene, büyüklüğü aşağıdaki ifadeyle belirlenen bir Amper kuvveti etki eder:
nerede ben iletkendeki mevcut güçtür, ben- iletkenin uzunluğu, B, manyetik indüksiyon vektörünün büyüklüğüdür ve vektör ile akımın yönü arasındaki açıdır.
Amper kuvvetinin yönü sol el kuralıyla belirlenebilir: Sol elin ayasını manyetik indüksiyon çizgileri avuç içine girecek şekilde yerleştiririz, dört parmağımızı iletkendeki akım yönünde yerleştiririz, sonra kıvrılmış baş parmak Amper kuvvetinin yönünü gösterir.
I = q 0 nSv'yi dikkate alarak ve bu ifadeyi (3.21)'de değiştirerek, F = q 0 nSh/B sin'i elde ederiz. A. Belirli bir iletken hacmindeki parçacık sayısı (N) N = nSl'dir, bu durumda F = q 0 NvB sin A.
Manyetik alanın, manyetik alanda hareket eden tek bir yüklü parçacığa uyguladığı kuvveti belirleyelim:
Bu kuvvete Lorentz kuvveti (1853-1928) adı verilir. Lorentz kuvvetinin yönü sol el kuralıyla belirlenebilir: Sol elin ayasını manyetik indüksiyon çizgileri avuç içine girecek şekilde yerleştiririz, dört parmak pozitif yükün hareket yönünü gösterir, büyük parmak bükülmüş parmak Lorentz kuvvetinin yönünü gösterir.
I 1 ve I 2 akımlarını taşıyan iki paralel iletken arasındaki etkileşim kuvveti şuna eşittir:
Nerede ben- Manyetik alanda bulunan bir iletkenin parçası. Akımlar aynı yöndeyse iletkenler çeker (Şekil 60), ters yöndeyse iterler. Her iletkene etkiyen kuvvetler eşit büyüklükte ve zıt yönlüdür. Formül (3.22), 1 amperlik akımın (1 A) birimini belirlemek için temeldir.
Bir maddenin manyetik özellikleri, alanı tamamen dolduran bir maddedeki manyetik alanın indüksiyonunun B'nin manyetik alanın indüksiyonundan B 0 büyüklüğünde kaç kez farklı olduğunu gösteren skaler bir fiziksel miktar - manyetik geçirgenlik ile karakterize edilir. bir vakum:
Manyetik özelliklerine göre tüm maddeler ikiye ayrılır. diyamanyetik, paramanyetik Ve ferromanyetik.
Maddelerin manyetik özelliklerinin doğasını ele alalım.
Bir maddenin atom kabuğundaki elektronlar farklı yörüngelerde hareket eder. Basitleştirmek gerekirse, bu yörüngelerin dairesel olduğunu düşünüyoruz ve bir atom çekirdeğinin yörüngesinde dönen her elektron, dairesel bir elektrik akımı olarak düşünülebilir. Her elektron, dairesel bir akım gibi, yörünge dediğimiz bir manyetik alan yaratır. Ayrıca atomdaki elektronun spin alanı adı verilen kendi manyetik alanı vardır.
B 0 indüksiyonlu bir dış manyetik alana sokulduğunda, maddenin içinde indüksiyon B yaratılırsa< В 0 , то такие вещества называются диамагнитными (N< 1).
İÇİNDE diyamanyetik Harici bir manyetik alanın bulunmadığı malzemelerde, elektronların manyetik alanları telafi edilir ve bir manyetik alana sokulduklarında atomun manyetik alanının indüksiyonu, dış alana karşı yönlendirilir. Diyamanyetik malzeme dış manyetik alanın dışına itilir.
sen paramanyetik malzemeler, atomlardaki elektronların manyetik indüksiyonu tamamen telafi edilmez ve atom bir bütün olarak küçük bir kalıcı mıknatısa benzer. Genellikle bir maddede tüm bu küçük mıknatıslar rastgele yönlendirilir ve tüm alanlarının toplam manyetik indüksiyonu sıfırdır. Bir paramıknatısı dış manyetik alana yerleştirirseniz, o zaman tüm küçük mıknatıslar - atomlar pusula iğneleri gibi dış manyetik alanda dönecek ve maddedeki manyetik alan artacaktır ( N >= 1).
Ferromanyetik bunlar içindeki malzemeler mi N" 1. Ferromanyetik malzemelerde, kendiliğinden mıknatıslanmanın makroskobik bölgeleri olarak adlandırılan alanlar oluşturulur.
Farklı alanlarda, manyetik alan indüksiyonları farklı yönlere sahiptir (Şekil 61) ve büyük bir kristalde
karşılıklı olarak birbirlerini telafi ederler. Ferromanyetik bir numune harici bir manyetik alana yerleştirildiğinde, bireysel alanların sınırları, dış alan boyunca yönlendirilen alanların hacminin artacağı şekilde değişir.
B 0 dış alanının indüksiyonunda bir artışla, mıknatıslanmış maddenin manyetik indüksiyonu artar. B 0'ın bazı değerlerinde indüksiyon keskin bir şekilde artmayı durdurur. Bu olaya manyetik doygunluk denir.
Ferromanyetik malzemelerin karakteristik bir özelliği, malzemedeki indüksiyonun, değiştiğinde dış manyetik alanın indüksiyonuna belirsiz bağımlılığından oluşan histerezis olgusudur.
Manyetik histerezis döngüsü kapalı bir eğridir (cdc`d`c), malzemedeki indüksiyonun dış alanın indüksiyonunun genliğine bağımlılığını ikincisinde periyodik oldukça yavaş bir değişiklikle ifade eder (Şekil 62).
Histerezis döngüsü aşağıdaki değerlerle karakterize edilir: B s, Br, B c. B s - B 0'larda malzeme indüksiyonunun maksimum değeri; r, dış manyetik alanın indüksiyonu B 0s'den sıfıra düştüğünde malzemedeki indüksiyon değerine eşit olan artık indüksiyondur; -Bc ve Bc - zorlayıcı kuvvet - malzemedeki indüksiyonu artıktan sıfıra değiştirmek için gerekli olan dış manyetik alanın indüksiyonuna eşit bir değer.
Her ferromıknatıs için, ferromanyetin ferromanyetik özelliklerini kaybettiği bir sıcaklık (Curie noktası (J. Curie, 1859-1906) vardır.
Mıknatıslanmış bir ferromıknatısı manyetikliği giderilmiş duruma getirmenin iki yolu vardır: a) Curie noktasının üzerinde ısı ve soğutma; b) malzemeyi genliği yavaş yavaş azalan alternatif bir manyetik alanla mıknatıslayın.
Düşük artık indüksiyon ve zorlayıcı kuvvete sahip ferromanyetlere yumuşak manyetik denir. Ferromıknatısların sıklıkla yeniden mıknatıslanması gereken cihazlarda (transformatör çekirdekleri, jeneratörler vb.) uygulama alanı bulurlar.
Yüksek zorlayıcı kuvvete sahip manyetik olarak sert ferromıknatıslar kalıcı mıknatısların yapımında kullanılır.
Herkes uzun zamandır mıknatıs gibi bir nesneye alışmıştır. Onda özel bir şey görmüyoruz. Bunu genellikle fizik dersleriyle veya okul öncesi çocuklar için mıknatısın özelliklerinin püf noktaları şeklindeki gösterilerle ilişkilendiririz. Ve nadiren kimse bizi çevreleyen kaç tane mıknatıs olduğunu düşünüyor Gündelik Yaşam. Herhangi bir dairede düzinelerce var. Her hoparlörde, kayıt cihazında, elektrikli tıraş makinesinde ve saatte bir mıknatıs bulunur. Bir kavanoz çivi bile böyledir.
Ve başka?
Biz insanlar istisna değiliz. Vücutta akan biyoakımlar sayesinde etrafımızda görünmez bir desen oluşur. Güç hatları. Dünya Gezegeni devasa bir mıknatıstır. Ve güneşin plazma topu daha da görkemli. Galaksilerin ve bulutsuların insan aklının anlayamadığı boyutları, bunların hepsinin aynı zamanda mıknatıs olduğu fikrine nadiren izin verir.
Modern bilim, uygulama alanları aşağıdakilerle ilgili olan yeni, büyük ve süper güçlü mıknatısların yaratılmasını gerektirir: termonükleer füzyon, elektrik enerjisi üretimi, senkrotronlarda yüklü parçacıkların hızlandırılması, batık gemilerin kurtarılması. Kullanarak süper güçlü bir alan yaratmak, modern fiziğin görevlerinden biridir.
Kavramları açıklayalım
Manyetik alan, hareket halindeki yüklü cisimlere etki eden bir kuvvettir. Sabit nesnelerle (veya şarjı olmayanlarla) "çalışmaz" ve formlardan biri olarak hizmet eder. elektromanyetik alan Daha genel bir kavram olarak var olan.
Eğer cisimler kendi etrafında manyetik bir alan oluşturabiliyorsa ve bunun etkisini kendisi hissedebiliyorsa, bunlara mıknatıs denir. Yani bu nesneler mıknatıslanmıştır (karşılık gelen momente sahiptir).
Farklı malzemeler dış alanlara farklı tepki verir. Etkisini dahili olarak zayıflatanlara paramıknatıs, güçlendirenlere ise diyamanyetik denir. Bazı malzemeler dış manyetik alanlarını bin kat artırma özelliğine sahiptir. Bunlar ferromıknatıslardır (kobalt, demirli nikel, gadolinyum ve ayrıca adı geçen metallerin bileşikleri ve alaşımları). Güçlü bir dış alana maruz kaldıklarında kendileri manyetik özellikler kazananlara sert manyetik denir. Yalnızca alanın doğrudan etkisi altında mıknatıs gibi davranabilen ve ortadan kaybolduğunda mıknatıs gibi davranabilen diğerleri yumuşak manyetiktir.
Biraz tarih
İnsanlar çok çok eski zamanlardan beri kalıcı mıknatısların özelliklerini inceliyorlar. Bilim adamlarının eserlerinde bahsediliyor Antik Yunan MÖ 600 gibi erken bir tarihte. Doğal (doğal olarak oluşan) mıknatıslar, manyetik cevher yataklarında bulunabilir. Büyük doğal mıknatısların en ünlüsü Tartu Üniversitesi'nde tutuluyor. Ağırlığı 13 kilogram olup, yardımıyla kaldırılabilecek yük 40 kg'dır.
İnsanlık çeşitli ferromıknatısları kullanarak yapay mıknatıslar yaratmayı öğrendi. Toz haline getirilmiş olanların (kobalt, demir vb. yapılmış) değeri, kendi ağırlığının 5000 katı kadar bir yükü taşıyabilme yeteneğinde yatmaktadır. Yapay numuneler kalıcı olabilir (malzemesi yumuşak manyetik demir olan bir çekirdeğe sahip elektromıknatıslardan veya elektromıknatıslardan elde edilebilir. İçlerindeki voltaj alanı, elektrik akımının çekirdeği çevreleyen sargı tellerinden geçmesi nedeniyle ortaya çıkar.
Girişimleri içeren ilk ciddi kitap bilimsel araştırma Bir mıknatısın özellikleri - Londralı doktor Gilbert'in 1600'de yayınlanan çalışması. Bu çalışma, yazarın deneylerinin yanı sıra, manyetizma ve elektrikle ilgili o dönemde mevcut olan tüm bilgileri içermektedir.
İnsan, mevcut olgulardan herhangi birini kendisine uyarlamaya çalışır. pratik Yaşam. Elbette mıknatıs da bir istisna değildi.
Mıknatıslar nasıl kullanılır?
İnsanlık mıknatısların hangi özelliklerini benimsemiştir? Uygulama kapsamı o kadar geniştir ki, bu harika ürünün ana, en ünlü cihazlarına ve uygulama alanlarına yalnızca kısaca değinme fırsatımız var.
Pusula, yerdeki yönleri belirlemek için iyi bilinen bir cihazdır. Onun sayesinde uçak ve gemilerin rotaları çiziliyor, kara taşımacılığı, yaya trafiği hedefleri. Bu aletler turistler ve topograflar tarafından kullanılan manyetik (işaretçi tipi) veya manyetik olmayan (radyo ve hidro pusulalar) olabilir.
İlk pusulalar 11. yüzyılda yapılmış ve navigasyonda kullanılmıştır. Eylemleri, bir eksen üzerinde dengelenmiş, manyetik malzemeden yapılmış uzun bir iğnenin yatay bir düzlemde serbest dönüşüne dayanmaktadır. Bir ucu daima güneye, diğer ucu ise kuzeye bakar. Bu şekilde, ana yönlere ilişkin ana yönleri her zaman doğru bir şekilde bulabilirsiniz.
Ana bölgeler
Mıknatısların özelliklerinin ana uygulama alanı bulduğu alanlar radyo ve elektrik mühendisliği, alet yapımı, otomasyon ve telemekaniktir. Röleler, manyetik devreler vb. ondan yapılmıştır. 1820'de akımlı bir iletkenin mıknatısın iğnesini etkileyerek onu dönmeye zorladığı keşfedildi. Aynı zamanda, başka bir keşif daha yapıldı - içinden aynı yönde bir akımın geçtiği bir çift paralel iletken, karşılıklı çekim özelliğine sahiptir.
Bu sayede mıknatısın özelliklerinin nedeni hakkında bir varsayımda bulunuldu. Bu tür olayların tümü, manyetik malzemelerin içinde dolaşanlar da dahil olmak üzere, akımlarla bağlantılı olarak ortaya çıkar. Bilimdeki modern fikirler bu varsayımla tamamen örtüşmektedir.
Motorlar ve jeneratörler hakkında
Buna dayanarak, çalışma prensibi mekanik enerjinin elektrik enerjisine (jeneratörler hakkında konuşuyoruz) veya elektrik enerjisine dönüştürülmesine dayanan birçok çeşit elektrik motoru ve elektrik jeneratörü, yani döner tip makineler oluşturulmuştur. mekanik enerjiye (motorlardan bahsediyoruz). Herhangi bir jeneratör elektromanyetik indüksiyon prensibine göre çalışır, yani manyetik alanda hareket eden bir telde EMF (elektromotor kuvvet) meydana gelir. Bir elektrik motoru, enine bir alana yerleştirilen akım taşıyan bir telde ortaya çıkan kuvvet olgusuna dayanarak çalışır.
Alanın etkileşim kuvvetini, hareketli parçalarının sarım dönüşlerinden geçen akımla kullanarak manyetoelektrik adı verilen cihazlar çalışır. İndüksiyonlu elektrik sayacı, iki sargılı yeni, güçlü bir AC elektrik motoru görevi görür. Sargılar arasında bulunan iletken bir disk, gücü güç tüketimiyle orantılı olan bir torkla dönmeye maruz kalır.
Peki günlük hayatta?
Minyatür bir batarya ile donatılmış, elektrikli kol saati herkese tanıdık geliyor. Bir çift mıknatıs, bir çift indüktör ve bir transistörün kullanılması sayesinde tasarımları, mevcut parça sayısı açısından mekanik bir saate göre çok daha basittir.
Kilitler giderek daha fazla kullanılıyor elektromanyetik tip veya manyetik elemanlarla donatılmış silindir kilitler. Hem anahtar hem de kilit bir kombinasyon kadranıyla donatılmıştır. Kilit deliğine doğru anahtar takıldığında, arzulanan pozisyon Manyetik kilidin iç elemanları çekilir ve bu da açılmasını sağlar.
Mıknatısların hareketi, dinamometrelerin ve galvanometrelerin (zayıf akımların ölçüldüğü son derece hassas bir cihaz) tasarımının temelini oluşturur. Aşındırıcıların üretiminde mıknatısların özelliklerinden yararlanılmaktadır. En çok mekanik işlemlerde (taşlama, cilalama, kaba işleme) ihtiyaç duyulan keskin küçük ve çok sert parçacıklara verilen addır. çesitli malzemeler ve malzemeler. Üretimleri sırasında, karışımın bir parçası olarak gerekli olan ferrosilikon kısmen fırınların tabanına çöker ve kısmen aşındırıcının bileşimine dahil edilir. Onu oradan çıkarmak için mıknatıslara ihtiyaç vardır.
Bilim ve iletişim
Maddelerin manyetik özellikleri sayesinde bilim, çok çeşitli cisimlerin yapısını inceleme fırsatına sahiptir. Sadece manyetokimyadan veya (ürünlerin belirli alanlarındaki manyetik alanın bozulmasını inceleyerek kusurları tespit etmeye yönelik bir yöntem) bahsedebiliriz.
Ayrıca ultra yüksek frekans aralığına sahip ekipmanların üretiminde, radyo iletişim sistemlerinde (askeri amaçlı ve ticari hatlarda), ısıl işlem sırasında hem evde hem de işyerlerinde kullanılmaktadır. Gıda endüstrisiürünler (herkes tanıdıktır) mikrodalgalar). En karmaşık olanları tek bir makalede listelemek neredeyse imkansızdır. teknik cihazlar ve günümüzde maddelerin manyetik özelliklerinin kullanıldığı uygulama alanları.
Tıp alanında
Teşhis ve tıbbi tedavi alanı bir istisna değildi. X-ışınları üreten elektron doğrusal hızlandırıcılar sayesinde tümör tedavisi gerçekleştirilir; lokal yönsellik açısından X ışınlarına göre avantajlara sahip olan ve göz ve beyin tümörlerinin tedavisinde verimliliği artıran siklotronlarda veya senkrotronlarda proton ışınları üretilir.
Biyoloji bilimine gelince, geçen yüzyılın ortasından önce bile vücudun hayati fonksiyonlarının manyetik alanların varlığıyla hiçbir şekilde bağlantısı yoktu. Bilimsel literatür zaman zaman bunların tıbbi etkilerinden birinin veya diğerinin izole edilmiş raporlarıyla dolduruldu. Ancak altmışlı yıllardan bu yana mıknatısların biyolojik özelliklerine ilişkin yayınlar çığ gibi akmaya başladı.
Önce ve şimdi
Bununla birlikte, 16. yüzyılda simyacılar tarafından insanları tedavi etme girişimleri yapıldı. Diş ağrısını tedavi etmek için birçok başarılı girişimde bulunulmuştur. sinir bozuklukları uykusuzluk ve birçok sorun iç organlar. Mıknatısın tıpta kullanım alanını navigasyondan daha geç bulmadığı anlaşılıyor.
Son yarım yüzyılda, manyetik bilezikler yaygın olarak kullanıldı ve kan basıncı bozukluğu olan hastalar arasında popüler oldu. Bilim adamları, bir mıknatısın insan vücudunun direncini artırma yeteneğine ciddi şekilde inanıyorlardı. Elektromanyetik cihazlar kullanarak kan akış hızını ölçmeyi, örnek almayı veya gerekli ilaçları kapsüllerden vermeyi öğrendiler.
Göze giren küçük metal parçacıkları uzaklaştırmak için mıknatıs kullanılır. Elektrik sensörlerinin çalışması, eylemine dayanmaktadır (herhangi birimiz elektrokardiyogram alma prosedürünü biliyoruz). Günümüzde fizikçiler ve biyologlar arasında etkileşimin derin mekanizmalarını incelemek için işbirliği yapılıyor. insan vücudu Manyetik alan giderek daha sıkı ve gerekli hale geliyor.
Neodimyum mıknatıs: özellikleri ve uygulamaları
Neodimyum mıknatısların insan sağlığı üzerinde en büyük etkiye sahip olduğu düşünülmektedir. Neodimyum, demir ve bordan oluşurlar. Kimyasal formül onlarınki NdFeB'dir. Böyle bir mıknatısın ana avantajı, alanının nispeten güçlü etkisi olarak kabul edilir. küçük boy. Yani 200 gauss kuvvete sahip bir mıknatısın ağırlığı yaklaşık 1 gramdır. Karşılaştırma için, eşit güçteki bir demir mıknatısın ağırlığı yaklaşık 10 kat daha fazladır.
Bahsedilen mıknatısların şüphesiz bir diğer avantajı, iyi stabilite ve korunabilme yeteneğidir. gerekli nitelikler yüzlerce yıldır. Bir yüzyıl boyunca bir mıknatıs özelliklerini yalnızca %1 oranında kaybeder.
Neodimyum mıknatısla tam olarak nasıl işleniyorlar?
Yardımı ile kan dolaşımını iyileştirir, kan basıncını dengeler ve migrenle savaşırlar.
Neodim mıknatısların özellikleri yaklaşık 2000 yıl önce tedavi amacıyla kullanılmaya başlandı. Bu tür terapiden söz eden Antik Çin el yazmalarında bulunur. Daha sonra insan vücuduna mıknatıslanmış taşlar uygulanarak tedavi edildiler.
Terapi aynı zamanda bunların vücuda yapıştırılması şeklinde de mevcuttu. Efsane şunu iddia ediyor mükemmel sağlık ve Kleopatra, doğaüstü güzelliğini başına sürekli manyetik bir bandaj takmasına borçluydu. 10. yüzyılda İranlı bilim adamları, neodim mıknatısların özelliklerinin, iltihaplanma ve kas spazmlarının ortadan kaldırılması durumunda insan vücudu üzerindeki faydalı etkilerini ayrıntılı olarak anlattılar. O zamanın hayatta kalan kanıtlarına dayanarak, bunların kas gücünü, kemik gücünü artırmak ve eklem ağrısını azaltmak için kullanıldığına karar verilebilir.
Tüm rahatsızlıklardan...
Bu etkinin etkinliğinin kanıtı 1530 yılında ünlü İsviçreli doktor Paracelsus tarafından yayınlandı. Doktor, yazılarında mıknatısın vücudun güçlerini harekete geçirebilen ve kendi kendini iyileştirmesine neden olan büyülü özelliklerini anlattı. O günlerde mıknatıs kullanılarak çok sayıda hastalığın üstesinden gelinmeye başlandı.
Bu ilaçla kendi kendine ilaç tedavisi, kategorik bir ilaç sıkıntısının olduğu savaş sonrası yıllarda (1861-1865) Amerika Birleşik Devletleri'nde yaygınlaştı. Hem ilaç hem de ağrı kesici olarak kullanıldı.
20. yüzyıldan beri Tıbbi özellikler mıknatıs bilimsel olarak gerekçelendirildi. 1976 yılında Japon doktor Nikagawa manyetik alan eksikliği sendromu kavramını ortaya attı. Araştırma kesin semptomlarını belirledi. Bunlar halsizlik, yorgunluk, performans azalması ve uyku bozukluklarından oluşur. Ayrıca migren, eklem ve omurga ağrıları, sindirim sorunları ve kardiyovasküler sistemler hipotansiyon veya hipertansiyon şeklinde. Sendrom hem jinekoloji alanını hem de cilt değişikliklerini ilgilendirmektedir. Manyetik terapinin kullanılması bu koşulları oldukça başarılı bir şekilde normalleştirebilir.
Bilim yerinde durmuyor
Bilim insanları manyetik alanlarla deneyler yapmaya devam ediyor. Hem hayvanlar hem de kuşlar üzerinde ve bakteriler üzerinde deneyler yapılmaktadır. Zayıflamış manyetik alan koşulları, deney kuşlarında ve farelerde metabolik süreçlerin başarısını azaltır; bakterilerin üremesi aniden durur. Uzun süreli alan eksikliği ile canlı dokular geri dönüşü olmayan değişikliklere uğrar.
Tüm bu fenomenlerle ve bunların neden olduğu sayısız olayla mücadele etmektir. Olumsuz sonuçlar Manyetik terapi bu şekilde kullanılır. Görünüşe göre şu anda her şey faydalı özellikler mıknatıslar henüz yeterince araştırılmamıştır. Doktorların önünde birçok ilginç keşif ve yeni gelişme var.
Manyetik alanın belirlenmesi. Kaynakları
Tanım
Manyetik alan, hareketlerinden bağımsız olarak yalnızca elektrik yüküne sahip hareketli cisimlere veya mıknatıslanmış cisimlere etki eden elektromanyetik alanın biçimlerinden biridir.
Bu alanın kaynakları sabit elektrik akımları, hareketli elektrik yükleri (cisimler ve parçacıklar), mıknatıslanmış cisimler, alternatif elektrik alanlarıdır. Sabit manyetik alanın kaynakları doğru akımlardır.
Manyetik alanın özellikleri
Manyetik olaylarla ilgili çalışmaların henüz yeni başladığı bir dönemde, araştırmacılar mıknatıslanmış çubuklarda kutupların varlığına özellikle dikkat ettiler. Onlarda manyetik özellikler özellikle açıkça ortaya çıktı. Aynı zamanda mıknatısın kutuplarının farklı olduğu da açıkça görülüyordu. Zıt kutuplar birbirini çekiyor, aynı kutuplar da birbirini itiyordu. Gilbert, "manyetik yüklerin" varlığı fikrini öne sürdü. Bu fikirler Coulomb tarafından desteklendi ve geliştirildi. Coulomb'un deneylerine dayanarak, manyetik alanın kuvvet karakteristiği, manyetik alanın birliğe eşit bir manyetik yüke etki ettiği kuvvet haline geldi. Coulomb, elektrik ve manyetizma olguları arasındaki önemli farklılıklara dikkat çekti. Bir mıknatısın kuzey ve güney kutuplarını ayırıp tek kutuplu bir cisim elde etmenin imkansız olduğu halde, elektrik yüklerinin ayrılarak aşırı pozitif veya negatif yüke sahip cisimler elde edilebilmesinde fark zaten açıkça görülmektedir. Bir mıknatısı yalnızca "kuzey" veya "güney" olarak ayırmanın imkansızlığından Coulomb, bu iki tür yükün mıknatıslayıcı maddenin her temel parçacığında ayrılamaz olduğuna karar verdi. Böylece maddenin her parçacığının - bir atomun, bir molekülün veya bunlardan oluşan bir grubun - iki kutuplu bir mikro mıknatıs gibi bir şey olduğu anlaşıldı. Bu durumda, bir cismin mıknatıslanması, temel mıknatıslarının harici bir manyetik alanın etkisi altında (dielektriklerin polarizasyonuna benzer) yönlendirilme sürecidir.
Akımların etkileşimi manyetik alanlar aracılığıyla gerçekleştirilir. Oersted, manyetik alanın akım tarafından uyarıldığını ve manyetik iğne üzerinde yönlendirici bir etkiye sahip olduğunu keşfetti. Oersted'in manyetik bir iğnenin üzerinde dönebilen, akım taşıyan bir iletkeni vardı. İletkenden akım geçtiğinde ok tele dik olarak dönüyordu. Akımın yönündeki bir değişiklik, iğnenin yeniden yönlendirilmesine neden oldu. Oersted'in deneyinden, manyetik alanın bir yönü olduğu ve bir vektör miktarıyla karakterize edilmesi gerektiği sonucu çıktı. Bu miktara manyetik indüksiyon adı verildi ve şu şekilde gösterildi: $\overrightarrow(B).$ $\overrightarrow(B)$, elektrik alanının kuvvet vektörüne benzer ($\overrightarrow(E)$). Manyetik alan için yer değiştirme vektörünün $\overrightarrow(D)\ $analoğu, manyetik alan kuvvet vektörü olarak adlandırılan $\overrightarrow(H)$ vektörü haline gelmiştir.
Manyetik alan yalnızca hareketli bir elektrik yükünü etkiler. Hareket eden elektrik yükleri tarafından bir manyetik alan oluşturulur.
Hareketli bir yükün manyetik alanı. Akımlı bir bobinin manyetik alanı. Üstüste binme ilkesi
Sabit hızla hareket eden bir elektrik yükünün manyetik alanı şu şekildedir:
\[\overrightarrow(B)=\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q\left[\overrightarrow(v)\overrightarrow(r)\right])(r^3)\left (1\sağ),\]
burada $(\mu )_0=4\pi \cdot (10)^(-7)\frac(H)(m)(in\SI)$ manyetik sabittir, $\overrightarrow(v)$ hızdır yükün hareketi, $\overrightarrow(r)$ yükün konumunu belirleyen yarıçap vektörüdür, q yükün büyüklüğüdür, $\left[\overrightarrow(v)\overrightarrow(r)\right]$ vektör ürünüdür.
SI sisteminde akımla bir elemanın manyetik indüksiyonu:
burada $\ \overrightarrow(r)$ mevcut elemandan söz konusu noktaya çizilen yarıçap vektörüdür, $\overrightarrow(dl)$ iletkenin akımlı elemanıdır (akımın yönü belirtilir), $ \vartheta$, $ \overrightarrow(dl)$ ile $\overrightarrow(r)$ arasındaki açıdır. $\overrightarrow(dB)$ vektörünün yönü, $\overrightarrow(dl)$ ve $\overrightarrow(r)$'ın bulunduğu düzleme diktir. Doğru vida kuralına göre belirlenir.
Manyetik alan için süperpozisyon ilkesi geçerlidir:
\[\overrightarrow(B)=\sum((\overrightarrow(B))_i\left(3\right),)\]
burada $(\overrightarrow(B)_i$ hareketli yükler tarafından oluşturulan bireysel alanlar, $\overrightarrow(B)$ toplam manyetik alan indüksiyonudur.
örnek 1
Görev: Paralel olarak aynı $v$ hızıyla hareket eden iki elektronun manyetik kuvvetlerinin ve Coulomb etkileşiminin oranını bulun. Parçacıklar arasındaki mesafe sabittir.
\[\overrightarrow(F_m)=q\left[\overrightarrow(v)\overrightarrow(B)\right]\left(1.1\right).\]
İkinci hareketli elektronu yaratan alan şuna eşittir:
\[\overrightarrow(B)=\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q\left[\overrightarrow(v)\overrightarrow(r)\right])(r^3)\left (1.2\sağ).\]
Elektronlar arasındaki mesafe $a=r\ (sabit)$'a eşit olsun. Cebirsel özelliği kullanıyoruz vektör çarpımı(Lagrange kimliği ($\left[\overrightarrow(a)\left[\overrightarrow(b)\overrightarrow(c)\right]\right]=\overrightarrow(b)\left(\overrightarrow(a)\overrightarrow(c) )\right)-\overrightarrow(c)\left(\overrightarrow(a)\overrightarrow(b)\right)$))
\[(\overrightarrow(F))_m=\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q^2)(a^3)\left[\overrightarrow(v)\left[\overrightarrow (v)\overrightarrow(a)\right]\right]=\left(\overrightarrow(v)\left(\overrightarrow(v)\overrightarrow(a)\right)-\overrightarrow(a)\left(\overrightarrow (v)\overrightarrow(v)\right)\right)=-\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q^2\overrightarrow(a)v^2)(a^3) \ ,\]
$\overrightarrow(v)\left(\overrightarrow(v)\overrightarrow(a)\right)=0$, çünkü $\overrightarrow(v\bot )\overrightarrow(a)$.
Kuvvet modülü $F_m=\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q^2v^2)(a^2),\ $where $q=q_e=1,6\cdot 10^( -19 )Kl$.
Alanda bir elektrona etki eden Coulomb kuvvetinin modülü şuna eşittir:
$\frac(F_m)(F_q)$ kuvvet oranını bulalım:
\[\frac(F_m)(F_q)=\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q^2v^2)(a^2):\frac(q^2)((4 \pi (\varepsilon )_0a)^2)=(\mu )_0((\varepsilon )_0v)^2.\]
Cevap: $\frac(F_m)(F_q)=(\mu )_0((\varepsilon )_0v)^2.$
Örnek 2
Görev: R yarıçaplı daire şeklindeki bir akım, bir bobin boyunca dolaşır DC kuvvet I. Çemberin merkezindeki manyetik indüksiyonu bulun.
Akım taşıyan iletken üzerinde temel bir bölüm seçelim (Şekil 1); sorunu çözmek için temel olarak, akım taşıyan bobin elemanı için indüksiyon formülünü kullanıyoruz:
burada $\ \overrightarrow(r)$ mevcut elemandan söz konusu noktaya çizilen yarıçap vektörüdür, $\overrightarrow(dl)$ iletkenin akımlı elemanıdır (akımın yönü belirtilir), $ \vartheta$, $ \overrightarrow(dl)$ ile $\overrightarrow(r)$ arasındaki açıdır. Şek. 1 $\vartheta=90()^\circ $, dolayısıyla (2.1) basitleştirilecek, ayrıca iletken elemanın dairenin merkezinden (manyetik alanı aradığımız nokta) akımla uzaklığı da basitleştirilecektir. sabittir ve dönüşün yarıçapına (R) eşittir, dolayısıyla elimizde:
Mevcut tüm elemanlar, x ekseni boyunca yönlendirilen manyetik alanlar üretecektir. Bu, ortaya çıkan manyetik alan indüksiyon vektörünün, bireysel vektörlerin izdüşümlerinin toplamı olarak bulunabileceği anlamına gelir$\ \ \overrightarrow(dB).$ Daha sonra, süperpozisyon ilkesine göre, toplam manyetik alan indüksiyonu, geçiş yapılarak elde edilebilir. integrale:
(2.2)'yi (2.3) yerine koyarsak şunu elde ederiz:
Cevap: $B$=$\frac((\mu )_0)(2)\frac(I)(R).$
Manyetik alanın bir özelliğinin ne olduğunu anlamak için birçok olgunun tanımlanması gerekir. Aynı zamanda nasıl ve neden göründüğünü önceden hatırlamanız gerekir. Manyetik alanın kuvvet karakteristiğinin ne olduğunu öğrenin. Böyle bir alanın sadece mıknatıslarda oluşmaması önemlidir. Bu konuda dünyanın manyetik alanının özelliklerinden bahsetmenin zararı olmaz.
Alanın ortaya çıkışı
Başlangıç olarak alanın ortaya çıkışını anlatmalıyız. Daha sonra manyetik alanı ve özelliklerini tanımlayabilirsiniz. Yüklü parçacıkların hareketi sırasında ortaya çıkar. Özellikle canlı iletkenleri etkileyebilir. Manyetik alan ile hareketli yükler veya içinden akımın geçtiği iletkenler arasındaki etkileşim, elektromanyetik adı verilen kuvvetler nedeniyle meydana gelir.
Belirli bir uzaysal noktadaki manyetik alanın yoğunluğu veya kuvvet karakteristiği, manyetik indüksiyon kullanılarak belirlenir. İkincisi B sembolüyle gösterilir.
Alanın grafiksel gösterimi
Manyetik alan ve onun özellikleri, indüksiyon çizgileri kullanılarak grafiksel biçimde gösterilebilir. Bu tanım, herhangi bir noktada teğetleri manyetik indüksiyon vektörünün yönü ile çakışacak olan çizgileri ifade eder.
Bu çizgiler manyetik alanın özelliklerine dahil edilir ve yönünü ve yoğunluğunu belirlemek için kullanılır. Manyetik alanın şiddeti ne kadar yüksek olursa bu çizgiler o kadar fazla çizilecektir.
Manyetik çizgiler nelerdir
Düz akım taşıyan iletkenlerdeki manyetik çizgiler, merkezi ilgili iletkenin ekseninde bulunan eşmerkezli bir daire şeklindedir. Akım taşıyan iletkenlerin yakınındaki manyetik çizgilerin yönü, şu şekilde görünen gimlet kuralı ile belirlenir: eğer jilet, iletkene akım yönünde vidalanacak şekilde konumlandırılmışsa, o zaman sapın dönme yönü manyetik çizgilerin yönüne karşılık gelir.
Akımlı bir bobinde manyetik alanın yönü de jilet kuralıyla belirlenecektir. Solenoid dönüşlerinde kolun akım yönünde döndürülmesi de gereklidir. Manyetik indüksiyon hatlarının yönü, jiletin öteleme hareketinin yönüne karşılık gelecektir.
Manyetik alanın temel özelliğidir.
Eşit koşullar altında tek bir akımın oluşturduğu alanın yoğunluğu, bu maddelerdeki farklı manyetik özelliklerden dolayı farklı ortamlarda farklılık gösterecektir. Ortamın manyetik özellikleri mutlak manyetik geçirgenlik ile karakterize edilir. Metre başına Henry (g/m) cinsinden ölçülür.
Manyetik alanın özellikleri, manyetik sabit olarak adlandırılan, vakumun mutlak manyetik geçirgenliğini içerir. Ortamın mutlak manyetik geçirgenliğinin sabitten kaç kat farklı olacağını belirleyen değere bağıl manyetik geçirgenlik denir.
Maddelerin manyetik geçirgenliği
Bu boyutsuz bir miktardır. Geçirgenlik değeri birden küçük olan maddelere diyamanyetik denir. Bu maddelerde alan, boşluktakinden daha zayıf olacaktır. Bu özellikler hidrojen, su, kuvars, gümüş vb. maddelerde mevcuttur.
Manyetik geçirgenliği birliği aşan ortamlara paramanyetik denir. Bu maddelerde alan, boşluktakinden daha güçlü olacaktır. Bu ortamlar ve maddeler arasında hava, alüminyum, oksijen ve platin bulunur.
Paramanyetik ve diyamanyetik maddeler söz konusu olduğunda, manyetik geçirgenliğin değeri, dış mıknatıslama alanının voltajına bağlı olmayacaktır. Bu, belirli bir madde için miktarın sabit olduğu anlamına gelir.
Ferromıknatıslar özel bir gruba aittir. Bu maddeler için manyetik geçirgenlik birkaç bin veya daha fazlasına ulaşacaktır. Mıknatıslanma ve manyetik alanı arttırma özelliğine sahip olan bu maddeler elektrik mühendisliğinde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Alan kuvveti
Bir manyetik alanın özelliklerini belirlemek için manyetik indüksiyon vektörüyle birlikte manyetik alan kuvveti adı verilen bir değer kullanılabilir. Bu terim dış manyetik alanın yoğunluğunu belirler. Bir ortamda manyetik alanın yönü özdeş özellikler her yönde yoğunluk vektörü, alan noktasındaki manyetik indüksiyon vektörüyle çakışacaktır.
Ferromıknatısların gücü, küçük mıknatıslar şeklinde temsil edilebilecek, keyfi olarak mıknatıslanmış küçük parçaların varlığıyla açıklanmaktadır.
Manyetik alan olmadığında ferromanyetik bir madde belirgin manyetik özelliklere sahip olmayabilir, çünkü alanların alanları farklı yönelimler kazanır ve toplam manyetik alanları sıfırdır.
Manyetik alanın temel karakteristiğine göre, eğer bir ferromıknatıs harici bir manyetik alana, örneğin akımlı bir bobine yerleştirilirse, dış alanın etkisi altında alanlar dış alan yönünde dönecektir. Ayrıca bobindeki manyetik alan artacak ve manyetik indüksiyon artacaktır. Dış alan yeterince zayıfsa, manyetik alanları dış alanın yönüne yakın olan tüm alanların yalnızca bir kısmı dönecektir. Dış alanın gücü arttıkça döndürülen alan sayısı artacak ve dış alan voltajının belirli bir değerinde manyetik alanlar dış alan yönünde konumlanacak şekilde hemen hemen tüm parçalar döndürülecektir. Bu durum manyetik doygunluk denir.
Manyetik indüksiyon ve gerilim arasındaki ilişki
Ferromanyetik bir maddenin manyetik indüksiyonu ile dış alan kuvveti arasındaki ilişki, mıknatıslanma eğrisi adı verilen bir grafik kullanılarak gösterilebilir. Eğri grafiğinin büküldüğü noktada manyetik indüksiyonun artış hızı azalır. Bükülme sonrasında gerilimin belirli bir değere ulaştığı noktada doygunluk meydana gelir ve eğri hafifçe yükselerek yavaş yavaş düz bir çizgi şeklini alır. Bu alanda indüksiyon hala artıyor, ancak oldukça yavaş ve yalnızca dış alan kuvvetinin artması nedeniyle.
Gösterge verilerinin grafiksel bağımlılığı doğrudan değildir; bu, oranlarının sabit olmadığı ve malzemenin manyetik geçirgenliğinin sabit bir gösterge olmadığı, ancak dış alana bağlı olduğu anlamına gelir.
Malzemelerin manyetik özelliklerindeki değişiklikler
Ferromanyetik çekirdekli bir bobinde akım kuvveti doygunluğu tamamlayacak kadar artırılıp daha sonra azaltıldığında, mıknatıslanma eğrisi manyetiklik giderme eğrisi ile çakışmayacaktır. Sıfır yoğunlukta, manyetik indüksiyon aynı değere sahip olmayacak, ancak artık manyetik indüksiyon adı verilen belirli bir gösterge elde edecektir. Manyetik indüksiyonun mıknatıslama kuvvetinin gerisinde kaldığı duruma histerezis denir.
Bobindeki ferromanyetik çekirdeğin tamamen manyetikliğini gidermek için gerekli voltajı yaratacak ters akımın verilmesi gerekir. Farklı ferromanyetik maddeler, farklı uzunluklarda bir parça gerektirir. Ne kadar büyük olursa, manyetikliğin giderilmesi için gereken enerji miktarı da o kadar büyük olur. Malzemenin tamamen manyetikliğinin giderildiği değere zorlayıcı kuvvet denir.
Bobindeki akımın daha da artmasıyla indüksiyon tekrar doygunluğa yükselecektir, ancak manyetik hatların yönü farklı olacaktır. Ters yönde mıknatıslığı giderirken artık indüksiyon elde edilecektir. Artık mıknatıslanma olgusu, yüksek artık mıknatıslanma indeksine sahip maddelerden kalıcı mıknatıslar oluşturmak için kullanılır. Elektrikli makineler ve cihazlar için çekirdekler, yeniden mıknatıslanma özelliğine sahip maddelerden oluşturulur.
Sol el kuralı
Akım taşıyan bir iletkene etki eden kuvvet, sol el kuralıyla belirlenen bir yöne sahiptir: bakire elin avuç içi, manyetik çizgilerin içine gireceği şekilde konumlandırıldığında ve dört parmak akım yönünde uzatıldığında. iletkende bükülmüş başparmak kuvvetin yönünü gösterecektir. Bu kuvvet indüksiyon vektörüne ve akıma diktir.
Manyetik alanda hareket eden akım taşıyan bir iletken, elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren bir elektrik motorunun prototipi olarak kabul edilir.
Sağ el kuralı
Bir iletken manyetik alanda hareket ettiğinde, manyetik indüksiyonla, ilgili iletkenin uzunluğuyla ve hareket hızıyla orantılı bir değere sahip olan bir elektromotor kuvvet, içinde indüklenir. Bu bağımlılığa elektromanyetik indüksiyon denir. Bir iletkende indüklenen emk'nin yönünü belirlerken şu kuralı kullanın: sağ el: sağ el örnekte olduğu gibi sol el ile aynı şekilde konumlandırıldığında, manyetik çizgiler avuç içine girer ve başparmak iletkenin hareket yönünü gösterir, uzatılmış parmaklar indüklenen EMF'nin yönünü gösterir. Harici bir mekanik kuvvetin etkisi altında manyetik akı içinde hareket eden bir iletken, mekanik enerjinin elektrik enerjisine dönüştürüldüğü bir elektrik jeneratörünün en basit örneğidir.
Farklı bir şekilde formüle edilebilir: kapalı bir döngüde, bu döngünün kapsadığı manyetik akıdaki herhangi bir değişiklikle bir EMF indüklenir; döngüdeki EMF, bu döngüyü kapsayan manyetik akının değişim hızına sayısal olarak eşittir.
Bu form ortalama bir EMF göstergesi sağlar ve EMF'nin manyetik akıya değil, değişim hızına bağımlılığını gösterir.
Lenz yasası
Lenz yasasını da unutmamak gerekiyor: Devreden geçen manyetik alan değiştiğinde indüklenen akım, manyetik alanı bu değişimi engeller. Bir bobinin sarımlarına farklı büyüklükteki manyetik akı nüfuz ederse, tüm bobin boyunca indüklenen EMF, farklı sarımlardaki EDE'nin toplamına eşit olur. Bobinin farklı dönüşlerindeki manyetik akıların toplamına akı bağlantısı denir. Bu miktarın yanı sıra manyetik akı için de ölçüm birimi Weber'dir.
Devredeki elektrik akımı değiştiğinde oluşturduğu manyetik akı da değişir. Bu durumda elektromanyetik indüksiyon yasasına göre iletkenin içinde bir emk indüklenir. İletkendeki akımdaki bir değişiklikle bağlantılı olarak ortaya çıkar, bu nedenle bu olguya kendi kendine indüksiyon denir ve iletkende indüklenen EMF'ye kendi kendine indüksiyon EMF'si denir.
Akı bağlantısı ve manyetik akı sadece akımın gücüne değil, aynı zamanda belirli bir iletkenin boyutuna ve şekline ve çevredeki maddenin manyetik geçirgenliğine de bağlıdır.
İletken endüktansı
Orantılılık faktörüne iletkenin endüktansı denir. Bir iletkenin içinden elektrik geçtiğinde akı bağlantısı oluşturma yeteneğini ifade eder. Bu, elektrik devrelerinin ana parametrelerinden biridir. Belirli devreler için endüktans sabit bir değerdir. Devrenin boyutuna, konfigürasyonuna ve ortamın manyetik geçirgenliğine bağlı olacaktır. Bu durumda devredeki akım gücü ve manyetik akı önemli olmayacaktır.
Yukarıdaki tanımlar ve olaylar, manyetik alanın ne olduğuna dair bir açıklama sağlar. Bu fenomenin tanımlanabileceği manyetik alanın temel özellikleri de verilmiştir.