До сих пор мы рассматривали магнитное поле, создаваемое проводниками с током. Однако, магнитное поле создается и постоянными магнитами , в которых электрический ток отсутствует, в том смысле, что заряженные частицы не совершают направленного движения по проводнику. Еще до открытия Эрстеда магнитное поле постоянных магнитов пытались объяснить наличием магнитных зарядов , находящихся в теле, подобно тому, как электрические заряды создают электрическое поле. Противоположные полюса магнита считали сосредоточением магнитных зарядов разных знаков. Однако первой трудностью была невозможность разделить эти полюса. После разрезания полосового магнита не получалось отдельно северного и южного полюсов – получалось два магнита, у каждого из которых был и северный, и южный полюс. Поиски магнитных зарядов («монополей») продолжаются до сих пор, и пока безуспешно. Ампер предложил более естественное объяснение. Поскольку виток с током создает поле, похожее на поле полосового магнита, Ампер предположил, что в веществе, а точнее в атомах, присутствуют заряженные частицы, совершающие круговое движение, и создающие таким образом, круговые «атомные» токи.
Эта идея хорошо согласовалась с предложенной впоследствии моделью атома Резерфорда. Понятно также, почему вещество в обычном состоянии практически не проявляет магнитных свойств. Для того, чтобы поля различных «витков» сложились, они должны быть расположены так, как показано на рисунке, чтобы их поля были сориентированы в одном направлении. Но в силу теплового движения, их направления ориентированы хаотически друг по отношению к другу во всех направлениях. А поскольку магнитные поля складываются по векторному закону, то суммарное поле равно нулю. Это справедливо для большинства металлов и других веществ. Упорядочить атомные токи можно лишь в некоторых металлах, называемых ферромагнетиками. Именно в них магнитные свойства проявляются очень заметно. Многие металлы, например медь и алюминий не проявляют заметных магнитных свойств, например, не могут быть намагничены. Наиболее известный пример ферромагнетика – железо. В нем существуют довольно большие по сравнению с размером атома области (10 -6 -10 -4 см) - домены , в которых атомные токи уже строго упорядочены. Сами области хаотически расположены по отношению друг к другу – металл не намагничен. Помещая его в магнитное поле, мы можем перевести домены в упорядоченное состояние – намагнитить металл, причем, убрав внешнее поле, мы сохраним его намагниченность. В процессе намагничивания домены с ориентацией атомных токов вдоль внешнего поля растут, другие – уменьшаются. Мы видели, что виток с током в магнитном поле поворачивается силой Ампера так, чтобы его магнитное поле установилось по внешнему полю. Это положение равновесия витка, которое он и стремится занять. После того, как внешнее поле выключается, ориентация атомных токов сохраняется. Некоторые сорта стали сохраняют намагниченность очень устойчиво – их них можно делать постоянные магниты. Другие сорта легко перемагничиваются, они годятся для производства электромагнитов. Если поместить в соленоид ферромагнитный стержень, то создаваемое в нем поле увеличится в 10-20 тысяч раз.
Таким образом, магнитное поле всегда создается электрическим током , либо протекающим по проводнику, когда заряды перемещаются на расстояния во много раз больше атомных (такие токи называются макроскопическими ), либо микроскопическими (атомными) токами.
Магнитное поле Земли. Одним из первых наблюдений магнитного поля и использования его в прикладных целях было обнаружение магнитного поля Земли. В древнем Китае магнитную стрелку (полосовой магнит) использовали для определения направления на север, что делается и в современных компасах. Очевидно, во внутренней части Земли существуют некие токи, которые и приводят к появлению небольшого (примерно 10 -4 Тл) магнитного поля. Если предположить, что оно связано с вращением Земли, внутри нее есть круговые токи вокруг ее оси, и соответствующее магнитное поле (как поле витка) должно быть сориентировано внутри Земли вдоль оси ее вращения. Линии индукции должны выглядеть, как показано на рисунке.
Видно, что северный магнитный полюс Земли находится вблизи ее южного географического полюса. Линии индукции замыкаются во внешнем пространстве, причем вблизи поверхности земли они ориентированы вдоль географических меридианов. Именно вдоль них в направлении на север устанавливается северный конец магнитной стрелки. С магнитным полем Земли связано еще одно важное явление. Из космоса в атмосферу земли приходит большое количество элементарных частиц, некоторые заряжены. Магнитное поле играет роль барьера для их попадания в нижние слои атмосферы, где они могут представлять опасность. Рассматривая движение заряженной частицы в магнитном поле под действием силы Лоренца, мы видели, что она начинает двигаться по винтовой линии вдоль линии индукции магнитного поля. Это и происходит с заряженными частицами в верхних слоях атмосферы. Двигаясь вдоль линий, они «уходят» к полюсам, и входят в атмосферу вблизи географических полюсов. При их взаимодействии с молекулами происходит свечение (испускание света атомами), которое и создает северные сияния. В неполярных широтах они не наблюдаются.
Тангенсные измерительные приборы. Для измерения величины индукции неизвестного магнитного поля (например, Земли) разумно предложить способ сравнения этого поля с каким-нибудь известным. Например, с полем длинного прямого тока. Тангенсный метод дает такой способ сравнения. Предположим, мы хотим измерить горизонтальную составляющую магнитного поля Земли в некоторой точке. Разместим рядом с ней длинный вертикальный провод, чтобы его середина была близко к этой точке, а длина была много больше расстояния до нее (рисунок, вид сверху).
Если ток в проводе не течет, то магнитная стрелка в точке наблюдения установится вдоль поля Земли (на рисунке – вверх, вдоль В З). Будем увеличивать ток в проводе. Стрелка начинает отклоняться влево. Поскольку появляется поле тока В Т, направленное на рисунке горизонтально. Полное поле направлено по диагонали прямоугольника, как того требует правило сложения векторов В З и В Т. Когда ток достигнет некоторого значения I 0 , угол, образуемый стрелкой станет равен 45 0 . Это значит, что выполнилось равенство В З =В Т. Но поле В Т нам известно . Измерив x и I 0 с помощью амперметра, можно вычислить В Т, а следовательно и В З. Метод называется тангенсным, потому что выполнено условие .
К такому предмету, как магнит, все давно привыкли. Мы не видим в нём ничего особенного. Ассоциируется у нас он обычно с уроками физики или демонстрацией в виде фокусов свойств магнита для дошкольников. И редко кто задумывается, сколько магнитов окружает нас в повседневной жизни. В любой квартире их десятки. Магнит присутствует в устройстве каждого динамика, магнитофона, электробритвы, часов. Даже банка с гвоздями является таковым.
А еще?
Мы - люди - не исключение. Благодаря протекающим в организме биотокам вокруг нас существует невидимый узор его силовых линий. Огромным магнитом является планета Земля. А еще более грандиозным - плазменный шар солнца. Непостижимые человеческому разуму размеры галактик и туманностей редко допускают мысль о том, что всё это - тоже магниты.
Современной науке требуется создание новых больших и сверхмощных магнитов, области применения которых связаны с термоядерным синтезом, генерированием электрической энергии, ускорением в синхротронах заряженных частиц, подъемом затонувших судов. Создать сверхсильное поле, используя - одна из задач современной физики.
Уточним понятия
Магнитным полем называется сила, действующая на обладающие зарядом тела, находящиеся в движении. Она "не работает" с неподвижными объектами (либо лишенными заряда) и служит одной из форм электромагнитного поля, которое существует как более общее понятие.
Если тела могут создавать вокруг себя магнитное поле и сами испытывать силу его воздействия, их называют магнитами. То есть данные предметы - намагничены (обладают соответствующим моментом).
Разные материалы неодинаково реагируют на внешнее поле. Ослабляющие его действие внутри себя именуются парамагнетиками, усиливающие - диамагнетиками. Отдельные материалы обладают свойством тысячекратно усиливать в себе внешнее магнитное поле. Это - ферромагнетики (кобальт, никель с железом, гадолиний, а также соединения и сплавы упомянутых металлов). Те из них, которые, попав под воздействие сильного внешнего поля, сами приобретают магнитные свойства, именуются магнитотвердыми. Другие, способные вести себя как магниты лишь под непосредственным воздействием поля и перестающие быть таковыми с его исчезновением, - магнитомягкими.
Чуть-чуть истории
Изучением свойств постоянных магнитов люди занимаются с очень и очень давних времен. Упоминается о них в трудах ученых Древней Греции ещё за 600 лет до нашей эры. Природные (естественного происхождения) магниты можно обнаружить в залежах магнитной руды. Наиболее известный из крупных естественных магнитов хранится в Тартуском университете. Весит он 13 килограммов, а груз, который может быть поднят при его помощи, - 40 кг.
Человечество научилось создавать искусственные магниты, используя различные ферромагнетики. Ценность порошковых (из кобальта, железа и т. п.) заключается в способности удерживать груз весом в 5000 раз более собственной массы. Искусственные экземпляры могут быть постоянными (полученными из или электромагнитами, имеющими сердечник, материал которого - магнитомягкое железо. Поле напряжения в них возникает благодаря прохождению электрического тока по проводам обмотки, которой окружён сердечник.
Первая серьезная книга, содержащая попытки научного исследования свойств магнита, - труд лондонского врача Гильберта, вышедший в 1600 году. Данная работа содержит всю совокупность имеющихся на тот момент сведений, касающихся магнетизма и электричества, а также авторские эксперименты.
Любое из существующих явлений человек пытается приспособить к практической жизни. Разумеется, и магнит не стал исключением.
Как используют магниты
Какие свойства магнита человечество взяло на вооружение? Сфера применения его настолько широка, что мы имеем возможность лишь вкратце коснуться основных, самых известных устройств и областей применения данного замечательного предмета.
Компас является всем известным прибором для определения на местности направлений. Благодаря ему прокладывают пути воздушных и морских судов, наземного транспорта, цели пешеходного движения. Эти приборы могут быть магнитными (стрелочного типа), используемыми туристами и топографами, либо немагнитными (радио- и гидрокомпасы).
Первые компасы из были изготовлены в XI веке и использовались в навигации. Основано их действие на свободном повороте в горизонтальной плоскости длинной иглы из магнитного материала, уравновешенной на оси. Один её конец всегда обращен к югу, другой - к северу. Таким образом можно всегда точно узнать основные направления касательно сторон света.
Главные сферы
Области, где свойства магнита нашли основное применение - радио- и электротехника, приборостроение, автоматика и телемеханика. Из получают реле, магнитопроводы и т. п. В 1820 году было обнаружено свойство проводника с током воздействовать на стрелку магнита, принуждая ее к повороту. В это же время было сделано и другое открытие - пара параллельных проводников, сквозь которые проходит ток одного направления, обладают свойством взаимного притяжения.
Благодаря этому было сделано предположение о причине свойств магнита. Все подобные явления возникают в связи с токами, в том числе циркулирующими внутри магнитных материалов. Современные представления в науке полностью совпадают с данным предположением.
О двигателях и генераторах
На основе его создано множество разновидностей электродвигателей и электрогенераторов, то есть машин вращательного типа, принцип действия которых основан на преобразовании механической энергии в электрическую (речь идёт о генераторах) или же электрической в механическую (о двигателях). Любой генератор действует по принципу электромагнитной индукции, то есть ЭДС (электродвижущая сила) возникает в проводе, который движется в магнитном поле. Электродвигатель работает на основе явления возникновения силы в проводе с током, помещенном в поперечное поле.
Используя силу взаимодействия поля с током, который проходит через витки обмотки их подвижных частей, работают приборы, именуемые магнитоэлектрическими. В качестве нового мощного электродвигателя переменного тока, имеющего две обмотки, выступает индукционный счетчик электроэнергии. Расположенный между обмоток проводящий диск подвержен вращению крутящим моментом, сила которого пропорциональна потребляемой мощности.
А в быту?
Снабженные миниатюрной батарейкой электрические наручные часы знакомы всем. Устройство их благодаря использованию пары магнитов, пары катушек индуктивности и транзистора намного проще по числу имеющихся деталей, чем у механических часов.
Всё большее применение находят замки электромагнитного типа или такие цилиндровые замки, которые снабжены магнитными элементами. В них как ключ, так и замок оснащены кодовым набором. При попадании в скважину замка правильного ключа в нужное положение притягиваются внутренние элементы магнитного замка, что позволяет его открыть.
На действии магнитов основано устройство динамометров и гальванометра (высокочувствительного прибора, с помощью которого измеряют слабые токи). Свойства магнита нашли применение в производстве абразивов. Так именуют острые мелкие и очень твердые частицы, которые нужны для механической обработки (шлифовки, полирования, обдирки) самых разных предметов и материалов. При производстве их необходимый в составе смеси ферросилиций частично оседает на дно печей, частично внедряется в состав абразива. Для удаления его оттуда и требуются магниты.
Наука и связь
Благодаря магнитным свойствам веществ наука имеет возможность изучать структуру самых разных тел. Можно лишь упомянуть о магнитохимии или (методе обнаружения дефектов путем исследования искажения магнитного поля в определенных зонах изделий).
Применяют их и в производстве техники сверхвысокого частотного диапазона, радиосистемах связи (военного назначения и на коммерческих линиях), при термообработке, как в домашних условиях, так и в пищевой промышленности продуктов (всем хорошо знакомы микроволновые печи). Практически невозможно в рамках одной статьи перечислить все те сложнейшие технические устройства и области применения, где используются в наши дни магнитные свойства веществ.
Сфера медицины
Не стала исключением и сфера диагностики и медицинской терапии. Благодаря генерирующим рентгеновское излучение электронным линейным ускорителям осуществляется опухолевая терапия, в циклотронах или синхротронах генерируются пучки протонов, имеющие преимущества перед рентгеновскими лучами в локальной направленности и повышенной эффективности при лечении опухолей глаз и мозга.
Что касается биологической науки, то еще до середины прошлого века жизненные функции организма никак не связывались с существованием магнитных полей. Научная литература изредка пополнялась единичными сообщениями о том или ином их медицинском эффекте. Но с шестидесятых годов лавиной потекли публикации о биологических свойствах магнита.
Раньше и сейчас
Впрочем, попытки лечить им людей предпринимались алхимиками еще в XVI веке. Зафиксировано много успешных попыток излечения зубной боли, нервных расстройств, бессонницы и множества неполадок внутренних органов. Думается, что в медицине свое применение магнит нашел ничуть не позже, чем в мореплавании.
Последние полвека широко используются магнитные браслеты, популярные среди больных с нарушенным давлением крови. Ученые серьезно поверили в способность магнита повышать сопротивляемость человеческого организма. С помощью электромагнитных приборов научились измерять скорость кровеносного потока, брать пробы или вводить нужные медикаменты из капсул.
Магнитом удаляют попавшие в глаз мелкие металлические частицы. На его действии основана работа электродатчиков (любому из нас знакома процедура снятия электрокардиограммы). В наше время сотрудничество физиков с биологами для изучения глубинных механизмов воздействия на человеческий организм магнитного поля становится все более тесным и необходимым.
Неодимовый магнит: свойства и применение
Неодимовые магниты считаются обладающими максимальным влиянием на человеческое здоровье. Состоят они из неодима, железа и бора. Химическая формула их - NdFeB. Главным преимуществом такого магнита считается сильное воздействие его поля при относительно небольшом размере. Так, вес магнита силой в 200 гаусс составляет около 1 гр. Для сравнения, равный ему по силе железный магнит имеет вес, больший примерно в 10 раз.
Другое несомненное достоинство упомянутых магнитов - хорошая устойчивость и способность к сохранности нужных качеств на протяжении сотен лет. В течение века магнит теряет свои свойства лишь на 1 %.
Как именно лечатся неодимовым магнитом?
С его помощью улучшают кровообращение, стабилизируют давление, борются с мигренью.
Свойства неодимовых магнитов начали использовать для лечения порядка 2000 лет назад. Упоминания о таком виде терапии встречаются в манускриптах Древнего Китая. Лечили тогда прикладыванием намагниченных камней к человеческому телу.
Терапия существовала и в форме прикрепления их на теле. Легенда утверждает, что отличным здоровьем и неземной красотой Клеопатра обязана была постоянному ношению на голове магнитной повязки. В X веке персидскими учеными подробно описывалось благотворное влияние свойств неодимовых магнитов на человеческий организм в случае ликвидации воспалений и мышечных спазмов. По сохранившимся свидетельствам того времени можно судить о применении их для увеличения силы мышц, прочности костных тканей и снижения боли в суставах.
От всех недугов...
Доказательства эффективности такого воздействия были опубликованы в 1530 году знаменитым доктором из Швейцарии Парацельсом. В своих трудах врач описывал волшебные свойства магнита, могущего стимулировать силы организма и вызывать самоизлечение. Огромное множество болезней в те времена начали одолевать, используя магнит.
Широкое распространение получило самолечение при помощи данного средства в США в послевоенные годы (1861-1865), когда медикаментов категорически не хватало. Использовали его и как лекарство, и как обезболивающее.
Начиная с XX века лечебные свойства магнита получили научное обоснование. В 1976 году японским врачом Никагавой было введено понятие синдрома дефицита магнитного поля. Исследованиями установлены точные его симптомы. Заключаются они в слабости, утомляемости, пониженной работоспособности и нарушениях процесса сна. Также имеют место мигрени, суставные и позвоночные боли, неполадки с пищеварительной и сердечно-сосудистой системами в виде гипотонии или гипертонии. Касается синдром и области гинекологии, и кожных изменений. Применением магнитотерапии данные состояния довольно успешно удается нормализовать.
Наука не стоит на месте
Ученые продолжают экспериментировать с магнитными полями. Опыты проводятся как на животных и птицах, так и на бактериях. Условия ослабленного магнитного поля снижают успешность обменных процессов у подопытных птиц и мышей, бактерии резко прекращают размножаться. При длительном дефиците поля живые ткани подвергаются необратимым изменениям.
Именно для борьбы со всеми подобными явлениями и вызванными ими многочисленными негативными последствиями применяется магнитотерапия как таковая. Думается, что в настоящее время все полезные свойства магнитов еще не изучены в должной степени. Впереди у врачей множество интереснейших открытий и новых разработок.
Источниками постоянных магнитных полей (ПМП) на рабочих местах являются постоянные магниты, электромагниты, сильноточные системы постоянного тока (линии передачи постоянного тока, электролитные ванны и др.).
Постоянные магниты и электромагниты широко используются в приборостроении, в магнитных шайбах подъемных кранов, в магнитных сепараторах, в устройствах для магнитной обработки воды, в магнитогидродинамических генераторах (МГД), установках ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), а также в физиотерапевтической практике.
Основными физическими параметрами, характеризующими ПМП, являются напряженность поля (Н), магнитный поток (Ф) и магнитная индукция (В). В системе СИ единицей измерения напряженности магнитного поля является ампер на метр (А/м), магнитного потока - Вебер (Вб ), плотности магнитного потока (магнитной индукции) - тесла (Тл ).
Выявлены изменения в состоянии здоровья лиц, работающих с источниками ПМП. Чаще всего эти изменения проявляются в форме вегетодистоний, астеновегетативного и периферического вазовегетативного синдромов или их сочетания.
Согласно действующему в нашей стране нормативу («Предельно допустимые уровни воздействия постоянных магнитных полей при работе с магнитными устройствами и магнитными материалами» № 1742-77), напряженность ПМП на рабочих местах не должна превышать 8 кА/м (10 мТл). Допустимые уровни ПМП, рекомендованные Международным комитетом по неионизирующим излучениям (1991) дифференцированы по контингенту, месту воздействия и времени работы. Для профессионалов: 0,2 Тл - при воздействии полный рабочий день (8 ч); 2 Тл - при кратковременном воздействии на тело; 5 Тл - при кратковременном воздействии на руки. Для населения уровень непрерывного воздействия ПМП не должен превышать 0,01 Тл.
Источники ЭМИ радиочастотного диапазона широко используются в самых различных отраслях народного хозяйства. Они применяются для передачи информации на расстоянии (радиовещание, радиотелефонная связь, телевидение, радиолокация и др.). В промышленности ЭМИ радиоволнового диапазона используются для индукционного и диэлектрического нагрева материалов (закалка, плавка, напайка, сварка, напыление металлов, нагрев внутренних металлических частей электровакуумных приборов в процессе откачки, сушка древесины, нагрев пластмасс, склейка пластикатов, термообработка пищевых продуктов и др.). ЭМИ широко применяются в научных исследованиях (радиоспектроскопия, радиоастрономия) и медицине (физиотерапия, хирургия, онкология). В ряде случаев ЭМИ возникают как побочный неиспользуемый фактор, например, вблизи воздушных линий электропередачи (ВЛ), трансформаторных подстанций, электроприборов, в том числе бытового назначения. Основными источниками излучения ЭМП РЧ в окружающую среду служат антенные системы радиолокационных станций (РЛС), радио- и телерадиостанций, включая системы мобильной радиосвязи и воздушные линии электропередачи.
Организм человека и животных весьма чувствителен к воздействию ЭМП РЧ.
К критическим органам и системам относятся: центральная нервная система, глаза, гонады, а по мнению некоторых авторов, и кроветворная система. Биологическое действие этих излучений зависит от длины волны (или частоты излучения), режима генерации (непрерывный, импульсный) и условий воздействия на организм (постоянное, прерывистое; общее, местное; интенсивность; длительность). Отмечено, что биологическая активность убывает с увеличением длины волны (или снижением частоты) излучения. Наиболее активными являются санти-, деци и метровый диапазоны радиоволн. Поражения, вызываемые ЭМИ РЧ, могут быть острыми и хроническими. Острые возникают при действии значительных тепловых интенсивностей излучения. Они встречаются крайне редко - при авариях или грубых нарушениях техники безопасности на РЛС. Для профессиональных условий более характерны хронические поражения, выявляемые, как правило, после нескольких лет работы с источниками ЭМИ микроволнового диапазона.
Основными нормативными документами, регламентирующими допустимые уровни воздействия ЭМИ РЧ, являются: ГОСТ 12.1.006 - 84 «ССБТ. Электромагнитные поля радиочастот.
Допустимые уровни» и СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96 «Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона». В них нормируется энергетическая экспозиция (ЭЭ) для электрического (Е) и магнитного (Н) полей, а также плотность потока энергии (ППЭ) за рабочий день (табл. 5.11).
Таблица 5.11.
Предельно- допустимые уровни (ПДУ) за рабочий день для работающих
С ЭМИ РЧ
| Параметр | Диапазоны частот, МГц | ||||
| Наименование | Единица измерения | 0,003-3 | 3-30 | 30-300 | 300-300000 |
| ЭЭ Е | (В/м) 2 *ч | - | |||
| ээ н | (А/м) 2 *ч | - | - | - | |
| ппэ | (мкВт/см 2)* ч | - | - | - |
Для всего населения при непрерывном воздействии установлены следующие ПДУ напряженности электрического поля, В/м:
Диапазон частот МГц
0,03-0,30........................................................... 25
0,3-3,0.............................................................. 15
3-30.................................................................. 10
30-300............................................................... 3*
300-300000...................................................... 10
* Кроме телевизионных станций, ПДУ для которых дифференцированы в
зависимости от частоты от 2,5 до 5 В/м.
К числу аппаратов, работающих в области радиочастотного диапазона, относятся и видеодисплеи терминалов персональных компьютеров. В наши дни персональные компьютеры (ПК) находят широкое применение на производстве, в научных исследованиях, в лечебно-профилактических учреждениях, в быту, в вузах, школах и даже в детских садах. При использовании на производстве ПК в зависимости от технологических задач могут воздействовать на организм человека в течение длительного времени (в пределах рабочего дня). В бытовых условиях время использования ПК вообще не поддается контролю.
Для видеодисплейных терминалов ПК (ВДТ) установлены следующие ПДУ ЭМИ (СанПиН 2.2.2.542-96 «Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы») - табл. 5.12.
Таблица 5.12. Предельно допустимые уровни ЭМИ, создаваемых ВДТ
Магнитное поле и его характеристики
План лекции:
Магнитное поле, его свойства и характеристики.
Магнитное поле - форма существования материи, окружающей движущиеся электрические заряды (проводники с током, постоянные магниты).
Это название обусловлено тем, что, как обнаружил в 1820 году датский физик Ханс Эрстед, оно оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку. Опыт Эрстеда: под проволокой с током помещалась магнитная стрелка, вращающаяся на игле. При включении тока она устанавливалась перпендикулярно проволоке; при изменении направления тока поворачивалась в противоположную сторону.
Основные свойства магнитного поля:
порождается движущимися электрическими зарядами, проводниками с током, постоянными магнитами и переменным электрическим полем;
действует с силой на движущиеся электрические заряды, проводники с током, намагниченные тела;
переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле.
Из опыта Эрстеда следует, что магнитное поле имеет направленный характер и должно иметь векторную силовую характеристику. Ее обозначают и называют магнитной индукцией.
Магнитное поле изображается графически с помощью магнитных силовых линий или линий магнитной индукции. Магнитными силовыми линиями называются линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются железные опилки или оси маленьких магнитных стрелок. В каждой точке такой линии вектор направлен по касательной.
Линии магнитной индукции всегда замкнуты, что говорит об отсутствии в природе магнитных зарядов и вихревом характере магнитного поля.
Условно они выходят из северного полюса магнита и входят в южный. Густота линий выбирается так, чтобы число линий через единицу площади, перпендикулярную магнитному полю, было пропорционально величине магнитной индукции.
Н
Магнитное соленоида с током
Аправление линий определяется правилом правого винта. Соленоид - катушка с током, витки которой расположены вплотную друг к другу, а диаметр витка много меньше длины катушки.
Магнитное поле внутри соленоида является однородным. Магнитное поле называется однородным, если вектор в любой точке постоянен.
Магнитное поле соленоида аналогично магнитному полю полосового магнита.
С
оленоид
с током представляет собой электромагнит.
Опыт показывает, что для магнитного поля, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции : индукция магнитного поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме индукций магнитных полей, создаваемых каждым током или зарядом:
Вектор вводится одним из 3-х способов:
а) из закона Ампера;
б) по действию магнитного поля на рамку с током;
в) из выражения для силы Лоренца.
А
мпер
экспериментально установил, что сила
с которой магнитное поле действует на
элемент проводника
с током I, находящегося в
магнитном поле, прямо пропорциональна
силе
тока I и векторному произведению элемента длины на магнитную индукцию :
- закон Ампера
Н
аправление
вектора
может быть найдено согласно общим
правилам векторного произведения,
откуда следует правило левой руки: если
ладонь левой руки расположить так, чтобы
магнитные силовые линии входили в нее,
а 4 вытянутых пальца направить по току,
то отогнутый большой палец покажет
направление силы.
Сила, действующая на провод конечной длины, найдется интегрированием по всей длине.
При I = const, B=const, F = BIlsin
Если =90 0 , F = BIl
Индукция магнитного поля - векторная физическая величина, численно равная силе, действующей в однородном магнитном поле на проводник единичной длины с единичной силой тока, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям.
1Тл - индукция однородного магнитного поля, в котором на проводник длиной 1м с током в 1А, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям, действует сила 1Н.
До
сих пор мы рассматривали макротоки,
текущие в проводниках. Однако, согласно
предположению Ампера, в любом теле
существуют микроскопические токи,
обусловленные движением электронов в
атомах. Эти микроскопические молекулярные
токи создают свое магнитное поле и могут
поворачиваться в полях макротоков,
создавая в теле дополнительное магнитное
поле. Вектор
характеризует результирующее магнитное
поле, создаваемое всеми макро- и
микротоками, т.е. при одном и том же
макротоке вектор
в
различных средах имеет разные значения.
Магнитное поле макротоков описывается вектором магнитной напряженности .
Для однородной изотропной среды
0 = 410 -7 Гн/м - магнитная постоянная, 0 = 410 -7 Н/А 2 ,
- магнитная проницаемость среды, показывающая, во сколько раз магнитное поле макротоков изменяется за счет поля микротоков среды.
Магнитный поток. Теорема Гаусса для магнитного потока.
Потоком вектора (магнитным потоком) через площадку dS называется скалярная величина, равная
где - проекция на направление нормали к площадке;
- угол между векторами и .
Направленный элемент поверхности,
Поток вектора - алгебраическая величина,
если
- при выходе из поверхности;
если
- при входе в поверхность.
Поток вектора магнитной индукции через произвольную поверхность S равен
Для однородного магнитного поля =const,
1
Вб - магнитный поток, проходящий через
плоскую поверхность площадью 1 м 2 ,
расположенную перпендикулярно однородному
магнитному полю, индукция которого
равна 1 Тл.
Магнитный поток через поверхность S численно равен количеству магнитных силовых линий, пересекающих данную поверхность.
Поскольку линии магнитной индукции всегда замкнуты, для замкнутой поверхности число линий, входящих в поверхность (Ф 0), следовательно, полный поток магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю.
- теорема Гаусса
: поток вектора
магнитной индукции через любую замкнутую
поверхность равен нулю.
Эта теорема является математическим выражением того, что в природе отсутствуют магнитные заряды, на которых начинались бы или заканчивались линии магнитной индукции.
Закон Био-Савара-Лапласа и его применение для расчета магнитных полей.
Магнитное поле постоянных токов различной формы было подробно исследовано фр. учеными Био и Саваром. Ими было установлено, что во всех случаях магнитная индукция в произвольной точке пропорциональна силе тока, зависит от формы, размеров проводника, расположения этой точки по отношению к проводнику и от среды.
Результаты этих опытов были обобщены фр. математиком Лапласом, который учел векторный характер магнитной индукции и высказал гипотезу о том, что индукция в каждой точке представляет собой, согласно принципу суперпозиции, векторную сумму индукций элементарных магнитных полей, создаваемых каждым участком этого проводника.
Лапласом в 1820 г. был сформулирован закон, который получил название закона Био-Савара-Лапласа: каждый элемент проводника с током создает магнитное поле, вектор индукции которого в некоторой произвольной точке К определяется по формуле:
- закон Био-Савара-Лапласа.
Из закона Био-Совара-Лапласа следует, что направление вектора совпадает с направлением векторного произведения . Такое же направление дает и правило правого винта (буравчика).
Учитывая, что ,
Элемент проводника, сонаправленный с током;
Радиус-вектор, соединяющий c точкой K;
Закон Био-Савара-Лапласа имеет практическое значение, т.к. позволяет найти в заданной точке пространства индукцию магнитного поля тока, текущего по проводнику конечный размеров и произвольной формы.
Для тока произвольной формы подобный расчет представляет собой сложную математическую задачу. Однако, если распределение тока имеет определенную симметрию, то применение принципа суперпозиции совместно с законом Био-Савара-Лапласа дает возможность относительно просто рассчитать конкретные магнитные поля.
Рассмотрим некоторые примеры.
А. Магнитное поле прямолинейного проводника с током.
для проводника конечной длины:
для проводника бесконечной длины: 1 = 0, 2 =
Б. Магнитное поле в центре кругового тока:
=90 0 , sin=1,
Эрстедом в 1820 году экспериментально было обнаружено, что циркуляция по замкнутому контуру, окружающему систему макротоков, пропорциональна алгебраической сумме этих токов. Коэффициент пропорциональности зависит от выбора системы единиц и в СИ равен 1.
Ц
иркуляцией
вектора
называется интеграл по замкнутому
контуру.
Эта формула носит название теоремы о циркуляции или закона полного тока :
циркуляция вектора напряженности магнитного поля по произвольному замкнутому контуру равна алгебраической сумме макротоков (или полному току), охватываемых этим контуром. его характеристики В пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле , называемое магнитным . Наличие магнитного поля обнаруживается...
О реальной структуре электромагнитного поля и его характеристиках распространения в виде плоских волн.
Статья >> ФизикаО РЕАЛЬНОЙ СТРУКТУРЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКАХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ В ВИДЕ ПЛОСКИХ ВОЛН... другие составляющие единого поля : электромагнитное поле с векторными компонентами и, электрическое поле с компонентами и, магнитное поле с компонентами...
Магнитное поле , цепи и индукция
Реферат >> Физика... поля ). Основной характеристикой магнитного поля является его сила, определяемая вектором магнитной индукции (вектор индукции магнитного поля ). В СИ магнитная ... , обладающими магнитным моментом. Магнитное поле и его параметры Направление магнитных линий и...
Магнитное поле (2)
Реферат >> ФизикаУчасток проводника АВ с током в магнитное поле перпендикулярно его магнитным линями. При показанном на рисунке... величина зависит только от магнитного поля и может служить его количественной характеристикой . Эта величина принимается...
Магнитные материалы (2)
Реферат >> ЭкономикаМатериалы, вступающие во взаимодействие с магнитным полем , выражающееся в его изменении, а также в других... и после прекращения воздействия магнитного поля .1. Основные характеристики магнитных материаловМагнитные свойства материалов характеризуется...
Наряду с электризующимися трением кусочками янтаря постоянные магниты были для древних людей первым материальным свидетельством электромагнитных явлений (молнии на заре истории определенно относили к сфере проявления нематериальных сил). Объяснение природы ферромагнетизма всегда занимало пытливые умы ученых, однако и в настоящее время физическая природа постоянной намагниченности некоторых веществ, как природных, так и искусственно созданных, еще не до конца раскрыта, оставляя немалое поле деятельности для современных и будущих исследователей.
Традиционные материалы для постоянных магнитов
Они стали активно использоваться в промышленности, начиная с 1940 года с появления сплава алнико (AlNiCo). До этого постоянные магниты из различных сортов стали применялись лишь в компасах и магнето. Алнико сделал возможным замену на них электромагнитов и применение их в таких устройствах, как двигатели, генераторы и громкоговорители.
Это их проникновение в нашу повседневную жизнь получило новый импульс с созданием ферритовых магнитов, и с тех пор постоянные магниты стали обычным явлением.
Революция в магнитных материалах началась около 1970 года, с созданием самарий-кобальтового семейства жестких магнитных материалов с доселе невиданной плотностью магнитной энергии. Затем было открыто новое поколение редкоземельных магнитов на основе неодима, железа и бора с гораздо более высокой плотностью магнитной энергии, чем у самарий-кобальтовых (SmCo) и с ожидаемо низкой стоимостью. Эти две семьи редкоземельных магнитов имеют такие высокие плотности энергии, что они не только могут заменить электромагниты, но использоваться в областях, недоступных для них. Примерами могут служить крошечный шаговый двигатель на постоянных магнитах в наручных часах и звуковые преобразователи в наушниках типа Walkman.
Постепенное улучшение магнитных свойств материалов представлено на диаграмме ниже.
Неодимовые постоянные магниты
Они представляют новейшее и наиболее значительное достижение в этой области на протяжении последних десятилетий. Впервые об их открытии было объявлено почти одновременно в конце 1983 года специалистами по металлам компаний Sumitomo и General Motors. Они основаны на интерметаллическом соединении NdFeB: сплаве неодима, железа и бора. Из них неодим является редкоземельным элементом, добываемым из минерала моназита.
Огромный интерес, которые вызвали эти постоянные магниты, возникает потому, что в первый раз был получен новый магнитный материал, который не только сильнее, чем у предыдущего поколения, но является более экономичным. Он состоит в основном из железа, которое намного дешевле, чем кобальт, и из неодима, являющегося одним из наиболее распространенных редкоземельных материалов, запасы которого на Земле больше, чем свинца. В главных редкоземельных минералах моназите и бастанезите содержится в пять-десять раз больше неодима, чем самария.
Физический механизм постоянной намагниченности
Чтобы объяснить функционирование постоянного магнита, мы должны заглянуть внутрь его до атомных масштабов. Каждый атом имеет набор спинов своих электронов, которые вместе формируют его магнитный момент. Для наших целей мы можем рассматривать каждый атом как небольшой полосовой магнит. Когда постоянный магнитразмагничен (либо путем нагрева его до высокой температуры, либо внешним магнитным полем), каждый атомный момент ориентирован случайным образом (см. рис. ниже) и никакой регулярности не наблюдается.
Когда же он намагничен в сильном магнитном поле, все атомные моменты ориентируются в направлении поля и как бы сцепляются «в замок» друг с другом (см. рис. ниже). Это сцепление позволяет сохранить поле постоянного магнита при удалении внешнего поля, а также сопротивляться размагничиванию при изменении его направления. Мерой силы сцепления атомных моментов является величина коэрцитивной силы магнита. Подробнее об этом позже.
При более глубоком изложении механизма намагничивания оперируют не понятиями атомных моментов, а используют представления о миниатюрных (порядка 0,001 см) областях внутри магнита, изначально обладающих постоянной намагниченностью, но ориентированных при отсутствии внешнего поля случайным образом, так что строгий читатель при желании может отнести вышеизложенный физический механизм не к магниту в целом. а к отдельному его домену.
Индукция и намагниченность
Атомные моменты суммируются и образуют магнитный момент всего постоянного магнита, а его намагниченность M показывает величину этого момента на единицу объема. Магнитная индукция B показывает, что постоянный магнит является результатом внешнего магнитного усилия (напряженности поля) H, прикладываемого при первичном намагничивании, а также внутренней намагниченности M, обусловленной ориентацией атомных (или доменных) моментов. Ее величина в общем случае задаётся формулой:
B = µ 0 (H + M),
где µ 0 является константой.
В постоянном кольцевом и однородном магните напряженность поля H внутри него (при отсутствии внешнего поля) равна нулю, так как по закону полного тока интеграл от нее вдоль любой окружности внутри такого кольцевого сердечника равен:
H∙2πR = iw=0 , откуда H=0.
Следовательно, намагниченность в кольцевом магните:
В незамкнутом магните, например, в том же кольцевом, но с воздушным зазором шириной l заз в сердечнике длиной l сер, при отсутствии внешнего поля и одинаковой индукции B внутри сердечника и в зазоре по закону полного тока получим:
H сер l сер + (1/ µ 0)Bl заз = iw=0.
Поскольку B = µ 0 (H сер + М сер), то, подставляя ее выражение в предыдущее, получим:
H сер (l сер + l заз) + М сер l заз =0,
H сер = ─ М сер l заз (l сер + l заз).
В воздушном зазоре:
H заз = B/µ 0 ,
причем B определяется по заданной М сер и найденной H сер.
Кривая намагничивания
Начиная с ненамагниченного состояния, когда Н увеличивается от нуля, вследствие ориентации всех атомных моментов по направлению внешнего поля быстро увеличиваются М и B, изменяясь вдоль участка «а» основной кривой намагничивания (см. рисунок ниже).
Когда выровнены все атомные моменты, М приходит к своему значению насыщения, и дальнейшее увеличение В происходит исключительно из-за приложенного поля (участок b основной кривой на рис. ниже). При уменьшении внешнего поля до нуля индукция В уменьшается не по первоначальному пути, а по участку «c» из-за сцепления атомных моментов, стремящегося сохранить их в том же направлении. Кривая намагничивания начинает описывать так называемую петлю гистерезиса. Когда Н (внешнее поле) приближается к нулю, то индукция приближается к остаточной величине, определяемой только атомными моментами:
В r = μ 0 (0 + М г).
После того как направление H изменяется, Н и М действуют в противоположных направлениях, и B уменьшается (участок кривой «d» на рис.). Значение поля, при котором В уменьшается до нуля, называется коэрцитивной силой магнита B H C . Когда величина приложенного поля является достаточно большой, чтобы сломать сцепление атомных моментов, они ориентируются в новом направлением поля, а направление M меняется на противоположное. Значение поля, при котором это происходит, называется внутренней коэрцитивной силой постоянного магнита М Н C . Итак, есть две разных, но связанных коэрцитивных силы, связанных с постоянным магнитом.
На рисунке ниже показаны основные кривые размагничивания различных материалов для постоянных магнитов.
Из него видно, что наибольшей остаточной индукцией B r и коэрцитивной силой (как полной, так и внутренней, т. е. определяемой без учета напряженности H, только по намагниченности M) обладают именно NdFeB-магниты.
Поверхностные (амперовские) токи
Магнитные поля постоянных магнитов можно рассматривать как поля некоторых связанных с ними токов, протекающих по их поверхностям. Эти токи называют амперовскими. В обычном смысле слова токи внутри постоянных магнитов отсутствуют. Однако, сравнивая магнитные поля постоянных магнитов и поля токов в катушках, французский физик Ампер предположил, что намагниченность вещества можно объяснить протеканием микроскопических токов, образующих микроскопические же замкнутые контуры. И действительно, ведь аналогия между полем соленоида и длинного цилиндрического магнита почти полная: имеется северный и южный полюс постоянного магнита и такие же полюсы у соленоида, а картины силовых линий их полей также очень похожи (см. рисунок ниже).
Есть ли токи внутри магнита?
Представим себе, что весь объем некоторого стержневого постоянного магнита (с произвольной формой поперечного сечения) заполнен микроскопическими амперовскими токами. Поперечный разрез магнита с такими токами показан на рисунке ниже.
Каждый из них обладает магнитным моментом. При одинаковой ориентации их по направлению внешнего поля они образуют результирующий магнитный момент, отличный от нуля. Он и определяет существование магнитного поля при кажущемся отсутствии упорядоченного движения зарядов, при отсутствии тока через любое сечение магнита. Легко также понять, что внутри него токи смежных (соприкасающихся) контуров компенсируются. Нескомпенсированными оказываются только токи на поверхности тела, образующие поверхностный ток постоянного магнита. Плотность его оказывается равной намагниченности M.
Как избавиться от подвижных контактов
Известна проблема создания бесконтактной синхронной машины. Традиционная ее конструкция с электромагнитным возбуждением от полюсов ротора с катушками предполагает подвод тока к ним через подвижные контакты - контактные кольца со щетками. Недостатки такого технического решения общеизвестны: это и трудности в обслуживании, и низкая надежность, и большие потери в подвижных контактах, особенно если речь идет о мощных турбо- и гидрогенераторах, в цепях возбуждения которых расходуется немалая электрическая мощность.
Если сделать такой генератор на постоянных магнитах, то проблема контакта сразу же уходит. Правда, появляется проблема надежного крепления магнитов на вращающемся роторе. Здесь может пригодиться опыт, накопленный в тракторостроении. Там уже давно применяется индукторный генератор на постоянных магнитах, расположенных в пазах ротора, залитых легкоплавким сплавом.
Двигатель на постоянных магнитах
В последние десятилетия широкое распространение получили вентильные двигатели постоянного тока. Такой агрегат представляет собой собственно электродвигатель и электронный коммутатор его обмотки якоря, выполняющий функции коллектора. Электродвигатель представляет собой синхронный двигатель на постоянных магнитах, расположенных на роторе, как и на рис. выше, с неподвижной обмоткой якоря на статоре. Электронный коммутатор схемотехнически представляет собой инвертор постоянного напряжения (или тока) питающей сети.
Основным преимуществом такого двигателя является его бесконтактность. Специфическим его элементом является фото-, индукционный или холловский датчик положения ротора, управляющий работой инвертора.
