Магнитный поток. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость

Произведение магнитной индукции на величину площадки, перпендикулярной направлению поля, называется магнитным потоком через данную площадку.

Магнитный поток через площадку можно рассматривать как совокупность магнитных линий, пронизывающих всю площадку, расположенную перпендикулярно направлению магнитного поля.

Магнитный поток обозначается буквой Ф и вычисляется по формуле: Ф = B * S, где В — магнитная индукция; S — площадь площадки.

В качестве единицы магнитного потока принят вебер (обозначение вб).

Магнитную индукцию можно представить произведением двух сомножителей, один из которых μ — магнитная проницаемость, зависит от физических свойств тела, а второй H — напряженность магнитного поля от величины и расположения электрических токов, создающих это поле, B = μ * H.

Количественная связь между электрическим током и напряженностью окружающего его магнитного поля определяется законом полного тока.

Рассмотрим магнитное поле, образованное кольцевой катушкой, имеющей w витков, равномерно распределенных по всей длине сердечника (рис. 1).

Проведем замкнутый контур, совпадающий с магнитной линией в сердечнике. Поверхность, ограниченная этим контуром, пронизывается w витками. В каждом витке течет ток, равный I.

Полный ток, пронизывающий контур, равен произведению силы тока на число витков.
Вследствие осевой симметрии катушки напряженность поля во всех точках контура имеет одинаковое значение.

В этом случае закон полного тока выражается следующими соотношениями:

где l — длина всего замкнутого контура.

Произведение напряженности магнитного поля на всю длину замкнутого контура, совпадающего с магнитной линией, равно полному току, пронизывающему контур.

Напряженность магнитного поля измеряется в амперах на метр (обозначение а/м).

Закон полного тока лежит в основе расчетов магнитных цепей электрических машин.

Магнитная проницаемость определяется формулой:

Тела, у которых μ меньше единицы (например, медь), называются диамагнитными.

Тела, у которых μ больше единицы (например, воздух), называются парамагнитными.

Магнитная проницаемость диамагнитных и парамагнитных веществ очень близка к единице.
Особую группу составляют так называемые ферромагнитные вещества. Основными ее представителями являются железо, никель, кобальт и их сплавы.

Магнитная проницаемость ферромагнитных тел очень велика, поэтому все электромагниты снабжаются сердечниками из ферромагнитных материалов. При незначительном токе в обмотках в таких сердечниках возникают весьма большие магнитные потоки.

Рис. 1

Рис. 2

Характерным признаком ферромагнитных тел является зависимость их магнитной проницаемости от магнитной индукции и от предыдущих магнитных состояний тела.

Таким образом, магнитная проницаемость ферромагнитных тел является величиной непостоянной и изменяется в зависимости от магнитной индукции.

Следовательно, в формуле B = μ * H одновременно с Н изменяется В и μ. Поэтому для того, чтобы характеризовать магнитные свойства ферромагнитных тел, выражают зависимость между В и H графически в виде кривой. На представленном графике (рис. 2) по горизонтальной оси, называемой осью абсцисс, отложены значения напряженности поля в стали, а по вертикальной, называемой осью ординат, — соответствующие величины магнитной индукции в той же стали. Такую кривую называют кривой намагничивания.
Кривые намагничивания стали (железа) впервые были определены в 1871 г. знаменитым русским физиком А. Г. Столетовым.

При рассмотрении кривых намагничивания стали можно установить, что с увеличением напряженности магнитного поля H магнитная индукция В в железе вначале сильно возрастает, а затем приближается к максимальному значению и при дальнейшем увеличении H увеличивается незначительно, или, как говорят, достигает насыщения.

Большое значение для практических целей имеет построение графической зависимости В от H при так называемом циклическом намагничивании железа, т. е. при изменении величины H от нуля до некоторого максимального значения и уменьшении H до нуля, затем изменении направления H и увеличении H до максимального значения, уменьшении H до нуля и увеличении H до максимального значения в первом направлении и т.

д. (см. рис. 2).

Полученная замкнутая кривая АСА₁С₁А называется гистерезисной петлей. Гистерезисом называют отставание В от H в процессе намагничивания и размагничивания.

Теоретически доказано, что площадь, охватываемая гистерезисной петлей, пропорциональна электрической энергии, расходуемой на нагревание железа при его перемагничивании за один цикл. Потери энергии в электрических машинах и аппаратах, связанные с перемагничиванием, называются потерями на гистерезис.

Каждый сорт стали имеет свои кривые намагничивания, определяющие его магнитные свойства.

Определим величину магнитного потока Ф в кольцевой катушке (длина магнитопровода которой равна l, сечение магнитопровода S, магнитная проницаемость его материала μ), имеющей w витков, при прохождении по ней тока l.

⇓ДОБАВИТЬ В ЗАКЛАДКИ⇓

⇒ВНИМАНИЕ⇐

• Материал на блоге⇒ Весь материал предоставляется исключительно в ознакомительных целях! При распространении материала используйте пожалуйста ссылку на наш блог!
• Ошибки⇒ Если вы обнаружили ошибки в статье, то сообщите нам через контакты или в комментариях к статье. Мы будем очень признательны!
• Файлообменники⇒ Если Вам не удалось скачать материал по причине нерабочих ссылок или отсутствующих файлов на файлообменниках, то сообщите нам через контакты или в комментариях к статье.
• Правообладателям⇒ Администрация блога отрицательно относится к нарушению авторских прав на www.electroengineer.ru. Поэтому, если Вы являетесь правообладателем исключительных прав на любой материал, предоставленный на ресурсе, то сообщите нам через контакты и мы моментально примем все действия для удаления Вашего материала.

⇓ОБСУДИТЬ СТАТЬЮ⇓

Вебер (единица магнитного потока) — это… Что такое Вебер (единица магнитного потока)?

Вебер (единица магнитного потока)

Вебер, единица магнитного потока, входит в Международную систему единиц. Названа по имени немецкого физика В. Вебера, русское обозначение вб, международное Wb. В. ‒ магнитный поток, при убывании которого до нуля в сцепленном с ним контуре сопротивлением 1 ом проходит количество электричества 1 кулон. Иначе можно определить В. как магнитный поток, равномерное изменение которого до нуля за промежуток времени 1 сек вызывает в пронизываемом им замкнутом контуре эдс, равную 1 вольту. Следовательно, 1 вб = (1 ом).(1 к) или 1 вб = (1 в).(1 сек). 1 мкс (максвелл ‒ единица магнитного потока в системе СГС)= 10-8 вб. В Международной системе единиц (СИ) вебер определяется как магнитный поток, создаваемый однородным магнитным полем с индукцией 1 тесла через площадку в 1м2, нормальную к направлению поля: 1 вб = (1тл)'(1м2).

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.

• Вебб, Сидней и Беатриса
• Вебер Альфред

Смотреть что такое «Вебер (единица магнитного потока)» в других словарях:

• Вебер (единица магнитного потока) — Вебер (обозначение: Вб, Wb) единица измерения магнитного потока в системе СИ.

  По определению, изменение магнитного потока через замкнутый контур со скоростью один вебер в секунду наводит в этом контуре ЭДС, равную одному вольту (см. Закон… …   Википедия

• ВЕБЕР (единица СИ) — ВЕБЕР, единица магнитного потока (см. МАГНИТНЫЙ ПОТОК) Ф и потокосцепления (см. ПОТОКОСЦЕПЛЕНИЕ) в системе СИ, названа в честь В. Вебера Обозначается Вб: 1 Вб=1 Тл.м2 1 Вб (вебер) магнитный поток, проходящий через плоскую поверхность площадью 1… …   Энциклопедический словарь

• Вебер (единица измерения) — У этого термина существуют и другие значения, см. Вебер. Вебер (обозначение: Вб, Wb) единица измерения магнитного потока в системе СИ. По определению, изменение магнитного потока через замкнутый контур со скоростью один вебер в секунду наводит в… …   Википедия

• Максвелл (единица магн. потока) — Максвелл, единица магнитного потока в СГС системе единиц. Названа в честь английского физика Дж. К. Максвелла. Сокращённое обозначение: русское мкс, международное Мх. М. ≈ магнитный поток, проходящий при однородном магнитном поле с индукцией 1… …   Большая советская энциклопедия

• ВЕБЕР — единица магнитного потока в СИ, обозначается Вб …   Большая политехническая энциклопедия

• ВЕБЕР — • ВЕБЕР (Weber) Вильгельм Эдуард (1804 91), немецкий физик, который в 1846 г. стандартизировал единицы измерения ЭЛЕКТРИЧЕСТВА, связав их с основными размерностями массы, длины, заряда и времени. Был первым физиком, который рассматривал… …   Научно-технический энциклопедический словарь

• ВЕБЕР — немецкие ученые, братья: 1) Эрнст Генрих (1795 1878), анатом и физиолог, иностранный член корреспондент Петербургской АН (1869 ). Один из основоположников экспериментальной психологии. Исследования физиологии органов чувств (слуха, зрения, кожных …   Большой Энциклопедический словарь

• ВЕБЕР (немецкие ученые, братья) — ВЕБЕР, немецкие ученые, братья: 1) Эрнст Генрих (1795 1878), анатом и физиолог, иностранный член корреспондент Петербургской АН (1869 ). Один из основоположников экспериментальной психологии. Исследования физиологии органов чувств (слуха, зрения …   Энциклопедический словарь

• Вебер — Единица магнитного потока в СИ …   Словарь мер

• Вебер (Weber) — единица магнитного потока в системе СИ. 1 Вб равен магнитному потоку, при убывании которого до нуля в сцепленном с ним контуре сопротивлением 1 Ом через поперечное сечение проводника за 1 секунду проходит количество электричества, равное 1 Кл.… …   Медицинские термины

Поток магнитной индукции, теория и примеры

Определение и общие понятия потока магнитной индукции

Исходя из формулы (1), магнитный поток через произвольную поверхность S вычисляется (в общем случае), как:

   

Магнитный поток однородного магнитного поля сквозь плоскую поверхность можно найти как:

   

Для однородного поля, плоской поверхности, расположенной перпендикулярно вектору магнитной индукции магнитный поток равен:

   

Поток вектора магнитной индукции может быть отрицательным и положительным. Это связано с выбором положительного направления . Очень часто поток вектора магнитной индукции связывают с контуром, по которому течет ток. В этом случае положительное направление нормали к контуру связано с направлением течения тока правилом правого буравчика. Тогда, магнитный поток, который создается контуром с током, сквозь поверхность, ограниченную этим контуром является всегда большим нуля.

Единица измерения потока магнитной индукции в международной системе единиц (СИ) – это вебер (Вб). Формулу (4) можно использовать для определения единицы измерения магнитного потока. Одним вебером называют магнитный поток, который проходит сквозь плоскую поверхность площадь, которой 1 квадратный метр, размещенную перпендикулярно к силовым линиям однородного магнитного поля:

   

Теорема Гаусса для магнитного поля

Теорема гаусса для потока магнитного поля отображает факт отсутствия магнитных зарядов, из-за чего линии магнитной индукции всегда замкнуты или уходят в бесконечность, у них нет начала и конца.

Формулируется теорема Гаусса для магнитного потока следующим образом: Магнитный поток сквозь любую замкнутую поверхность (S) равен нулю. В математическом виде данная теорема записывается так:

   

Получается, что теоремы Гаусса для потоков вектора магнитной индукции () и напряженности электростатического поля (), сквозь замкнутую поверхность, отличаются принципиальным образом.

Примеры решения задач

Магнитный поток — презентация онлайн

2. вектор магнитной индукции

• Там, где силовые
линии гуще,
индукция магнитного
поля больше.
• Там, где силовые
линии реже,
индукция магнитного
поля меньше

3. Отличие магнитной индукции от магнитного потока

• Вектор магнитной
индукции В
характеризует
магнитное поле в
каждой точке
пространства, а
магнитный поток –
определенную
область
пространства

4. Определение магнитного потока

Произведение индукции
магнитного поля,
пронизывающей
поперечное сечение
контура, на площадь
этого контура называется
магнитным
потоком

5.

Обозначение и формула магнитного потока • Ф — символ
магнитного потока
• Ф — скалярная
величина.
• Формула для
расчета
магнитного потока
Ф=В·S·cosα
n
α
f

6. Величины, входящие в формулу Ф=В·S·cosα n

В – магнитная
индукция,
S – площадь контура,
α
ограничивающего
площадку,
α – угол между
направлением вектора
индукции В и нормалью
n
(перпендикуляром) к
площадке
S
В

7. Единица измерения магнитного потока Вб

• 1 Вб — магнитный
поток, созданный
магнитным полем с
индукцией 1 Тл
через поверхность
площадью 1м2 ,
расположенную
перпендикулярно
вектору магнитной
индукции.
В=1 Тл
S=1м2

8. Способы изменения магнитного потока Δ Ф

1) Путем изменения площади
контура Δ S
2) Путем изменения величины магнитного
поля Δ В
3) Путем изменения угла Δ α

9. Зависимость ΔФ от площади ΔS

В
S
В
S
• При одинаковой
магнитной индукции В,
чем больше
площадь контура S ,
тем больше
изменение магнитного
потока Δ Ф,
пронизывающего данный
контур:
ΔФ=В·ΔS·cosα

10.

Зависимость ΔФ от магнитной индукции ΔВ В
В
• При одинаковой
площади S,чем сильнее
поле, тем гуще линии
магнитной индукции,
соответственно
увеличивается В, а
значит и больше
изменение магнитного
потока:
ΔФ=ΔВ·S·cosα

11. Зависимость ΔФ от угла Δα

α
1) Если угол
= 0º
В этом случае линии В и
нормали n к площадке
параллельны.
Но В и площадка S
перпендикулярны друг
другу !!!
Тогда cos 0º =1 ,
изменение магнитного
потока принимает свое
максимальное значение:
ΔФ
=B·S
n
B

12. Зависимость ΔФ от угла Δα

2) Если угол α= 90 º
В этом случае линии В
и нормали n к площадке
перпендикулярны
Но В и площадка S
параллельны друг
другу!!!
cos 90º =0 и изменение
магнитного потока
будет минимальным:
ΔФ=0
n
В

13. Зависимость ΔФ от угла Δα

• При вращении рамки
определенной площади
S в постоянном
магнитном поле В ,угол
между В и S постоянно
меняется от α1 до α2
• Тогда изменение
магнитного потока
находится по формуле:
ΔФ
= В · S · (cosα1 – cosα2 )
В

Эдс индукции

Причиной электродвижущей силы может стать изменение магнитного поля в окружающем пространстве. Это явление называетсяэлектромагнитной индукцией. Величина ЭДС индукции в контуре определяется выражением

где — поток магнитного поля через замкнутую поверхность , ограниченную контуром. Знак «−» перед выражением показывает, что индукционный ток, созданный ЭДС индукции, препятствует изменению магнитного потока в контуре (см. правило Ленца).

41. Индуктивность, ее единица СИ. Индуктивность длинного соленоида.

Индукти́вность (или коэффициент самоиндукции) — коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в каком-либо замкнутом контуре, и магнитным потоком, создаваемым этим током через поверхность^[1], краем которой является этот контур.^[2][3][4].

В формуле

— магнитный поток, — ток в контуре, — индуктивность.

• Нередко говорят об индуктивности прямого длинного провода(см.). В этом случае и других (особенно — в не отвечающих квазистационарному приближению) случаях, когда замкнутый контур непросто адекватно и однозначно указать, приведенное выше определение требует особых уточнений; отчасти полезным для этого оказывается подход (упоминаемый ниже), связывающий индуктивность с энергией магнитного поля.

Через индуктивность выражается ЭДС самоиндукции в контуре, возникающая при изменении в нём тока^[4]:

.

Из этой формулы следует, что индуктивность численно равна ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с.

При заданной силе тока индуктивность определяет энергию магнитного поля, создаваемого этим током^[4]:

.

Обозначение и единицы измерения

В системе единиц СИ индуктивность измеряется в генри^[7], сокращенно Гн, в системе СГС — в сантиметрах (1 Гн = 10⁹см)^[4]. Контур обладает индуктивностью в один генри, если при изменении тока на один ампер в секунду на выводах контура будет возникать напряжение в один вольт. Реальный, не сверхпроводящий, контур обладает омическим сопротивлением R, поэтому на нём будет дополнительно возникать напряжение U=I*R, где I — сила тока, протекающего по контуру в данное мгновение времени.

Символ , используемый для обозначения индуктивности, был взят в честь Ленца Эмилия Христиановича (Heinrich Friedrich Emil Lenz)^{[источник не указан 1017 дней]}. Единица измерения индуктивности названа в честь Джозефа Генри (Joseph Henry)^[8]. Сам термин индуктивность был предложен Оливером Хевисайдом (Oliver Heaviside) в феврале 1886 года^{[источник не указан 1017 дней]}.

Электрический ток, который течет в замкнутом контуре, создает вокруг себя магнитное поле, индукция которого, согласно закону Био-Савара-Лапласа, пропорциональна току. Сцепленный с контуром магнитный поток Ф поэтому прямо пропорционален току I в контуре:  (1)  где коэффициент пропорциональности L называетсяиндуктивностью контура.  При изменении в контуре силы тока будет также изменяться и сцепленный с ним магнитный поток; значит, в контуре будет индуцироваться э.д.с. Возникновение э.д.с. индукции в проводящем контуре при изменении в нем силы тока называетсясамоиндукцией.   Из выражения (1) задается единица индуктивности генри (Гн): 1 Гн — индуктивность контура, магнитный поток самоиндукции которого при токе в 1 А равен 1 Вб: 1 Гн = 1 Вб/с = 1 В

·c/А . 

Вычислим индуктивность бесконечно длинного соленоида. Полный магнитный поток сквозь соленоид (потокосцепление) равен μ₀μ(N²I/l)S . Подставив в (1), найдем  (2)  т. е. индуктивность соленоида зависит от длиныl солениода, числа его витков N, его , площади S и магнитной проницаемости μ вещества, из которого изготовлен сердечник соленоида.  Доказано, что индуктивность контура зависит в общем случае только от геометрической формы контура, его размеров и магнитной проницаемости среды, в которой он расположен, и можно провести аналог индуктивности контура с электрической емкостью уединенного проводника, которая также зависит только от формы проводника, его размеров и диэлектрической проницаемости среды.  Найдем, применяя к явлению самоиндукции закон Фарадея, что э. д.с. самоиндукции равна  Если контур не претерпевает деформаций и магнитная проницаемость среды остается неизменной (в дальнейшем будет показано, что последнее условие выполняется не всегда), то L = const и(3)  где знак минус, определяемый правилом Ленца, говорит о том, чтоналичие индуктивности в контуре приводит к замедлению изменения тока в нем.  Если ток со временем увеличивается, то (dI/dt<0) и ξ_s>0 т. е. ток самоиндукции направлен навстречу току, обусловленному внешним источником, и замедляет его увеличение. Если ток со временем уменьшается, то (dI/dt>0) и ξ_s<0 т. е. индукционный ток имеет такое же направление, как и уменьшающийся ток в контуре, и замедляет его уменьшение. Значит, контур, обладая определенной индуктивностью, имеет электрическую инертность, заключающуюся в том, что любое изменение тока уменьшается тем сильнее, чем больше индуктивность контура.

 

42. Ток при размыкании и замыкании цепи.

При всяком изменении силы тока в проводящем контуре возникает э. д. с. самоиндукции, в результате чего в контуре появляются дополнительные токи, называемые экстратоками самоиндукции. Экстратоки самоиндукции, согласно правилу Ленца, всегда направлены так, чтобы препятствовать изменениям тока в цепи, т. е. направлены противоположно току, создаваемому источником. При выключении источника тока экстратоки имеют такое же направление, что и ослабевающий ток. Следовательно, наличие индуктивности в цепи приводит к замедлению исчезновения или установления тока в цепи.

Рассмотрим процесс выключения тока в цепи, содержащей источник тока с э.д.с. , резистор сопротивлением R и катушку индуктивностью L. Под действием внешней э. д. с. в цепи течет постоянный ток

(внутренним сопротивлением источника тока пренебрегаем).

В момент времени t=0 отключим источник тока. Ток в катушке индуктивностью L начнет уменьшаться, что приведет к возникновению э.д.с. самоиндукции препятствующей, согласно правилу Ленца, уменьшению тока. В каждый момент време­ни ток в цепи определяется законом Ома I=_s/R, или

(127.1)

Разделив в выражении (127.1) переменные, получим Интегрируя это уравнение по I (от I₀ до I) и t (от 0 до t), находим ln (I /I₀) = –Rt/L, или

(127.2)

где =L/R — постоянная, называемая временем релаксации. Из (127.2) следует, что  есть время, в течение которого сила тока уменьшается в е раз.

Таким образом, в процессе отключения источника тока сила тока убывает по экспоненциальному закону (127.2) и определяется кривой 1 на рис. 183. Чем больше индуктивность цепи и меньше ее сопротивление, тем больше  и, следовательно, тем медленнее уменьшается ток в цепи при ее размыкании.

При замыкании цепи помимо внешней э. д. с.  возникает э. д. с. самоиндукции препятствующая, согласно правилу Ленца, возрастанию тока. По закону Ома, или

Введя новую переменную преобразуем это уравнение к виду

где  — время релаксации.

В момент замыкания (t=0) сила тока I = 0 и u = –. Следовательно, интегрируя по и (от – до IR–) и t (от 0 до t), находим ln[(IR–)]/–= —t/, или

(127.3)

где — установившийся ток (при t).

Таким образом, в процессе включения источника тока нарастание силы тока в цепи задается функцией (127.3) и определяется кривой 2 на рис. 183. Сила тока возрастает от начального значения I=0 и асимптотически стремится к установившемуся значению . Скорость нарастания тока определяется тем же временем релаксации =L/R, что и убывание тока. Установление тока происходит тем быстрее, чем меньше индук­тивность цепи и больше ее сопротивление.

Оценим значение э.д.с. самоиндукции , возникающей при мгновенном увеличении сопротивления цепи постоянного тока от R₀ до R. Предположим, что мы размыкаем контур, когда в нем течет установившийся ток . При размыкании цепи ток изменяется по формуле (127.2). Подставив в нее выражение дляI₀ и , получим

Э.д.с. самоиндукции

т. е. при значительном увеличении сопротивления цепи (R/R₀>>1), обладающей боль­шой индуктивностью, э.д.с. самоиндукции может во много раз превышать э.д.с. источника тока, включенного в цепь. Таким образом, необходимо учитывать, что контур, содержащий индуктивность, нельзя резко размыкать, так как это (возникнове­ние значительных э.д.с. самоиндукции) может привести к пробою изоляции и выводу из строя измерительных приборов. Если в контур сопротивление вводить постепенно, то э.д.с. самоиндукции не достигнет больших значений.

43. Явление взаимной индукции. Трансформатор.

Рассмотрим два неподвижных контура (1 и 2), которые расположены достаточно близко друг от друга (рис. 1). Если в контуре 1 протекает ток I₁, то магнитный поток, который создавается этим током (поле, создающее этот поток, на рисунке изображено сплошными линиями), прямо пропорционален I₁. Обозначим через Ф₂₁ часть потока,пронизывающая контур 2. Тогда   (1)  где L₂₁ — коэффициент пропорциональности. 

Рис.1

Если ток I₁ меняет свое значение, то в контуре 2 индуцируется э.д.с. ξ_i2 , которая по закону Фарадея будет равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока Ф₂₁, который создается током в первом контуре и пронизыващет второй:    Аналогичным образом, при протекании в контуре 2 тока I₂ магнитный поток (его поле изображено на рис. 1 штрихами) пронизывает первый контур. Если Ф₁₂ — часть этого потока, который пронизывает контур 1, то    Если ток I₂ меняет свое значение, то в контуре 1 индуцируется э.д.с. ξ_i1 , которая равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока Ф₁₂, который создается током во втором контуре и пронизывает первый:    Явление возникновения э.д.с. в одном из контуров при изменении силы тока в другом называется взаимной индукцией. Коэффициенты пропорциональности L₂₁ и L₁₂ называются взаимной индуктивностью контуров. Расчеты, которые подтверждены опытом, показывают, что L₂₁ и L₁₂ равны друг другу, т. е.   (2)  Коэффициенты пропорциональности L₁₂ и L₂₁ зависят от размеров, геометрической формы, взаимного расположения контуров и от магнитной проницаемости среды, окружающей контуры. Единица взаимной индуктивности та же, что и для индуктивности, — генри (Гн).  Найдем взаимную индуктивность двух катушек, которые намотаны на общий тороидальный сердечник. Этот случай имеет большое практическое значение (рис. 2). Магнитная индукция поля, которое создавается первой катушкой с числом витков N₁, током I₁ и магнитной проницаемостью μ сердечника, B = μμ₀(N₁I₁/l) где l — длина сердечника по средней линии. Магнитный поток сквозь один виток второй катушки Ф₂ = BS = μμ₀(N₁I₁/l)S 

Значит, полный магнитный поток (потокосцепление) сквозь вторичную обмотку, которая содержит N₂ витков,    Поток Ψ создается током I₁, поэтому, используя (1), найдем   (3)  Если рассчитать магнитный поток, который создавается катушкой 2 сквозь катушку 1, то для L₁₂ получим выражение в соответствии с формулой (3). Значит, взаимная индуктивность двух катушек, которые намотаны на общий тороидальный сердечник,   

Трансформа́тор (от лат. transformo — преобразовывать) — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредствомэлектромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений) переменного тока без изменения частоты системы (напряжения) переменного тока

12.

Вопросы к зачету по теме: «Магнитные явления»

Вопросы для подготовки к зачету по теме: «Магнитные явления»

31. Понятие магнитного поля. Магнитная индукция, линии магнитной индукции, их свойства.

32. Взаимодействие параллельных проводов с токами. Сила Ампера.

33. Э.Д.С. индукции в прямолинейном проводнике, движущимся в однородном магнитном  поле.

34. Магнитный поток. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле.

35. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца.

36. Явление электромагнитной индукции. Опыты Фарадея. Правило Ленца.

37. Явление самоиндукции. Э.Д.С. самоиндукции. Индуктивность.

Ответы.

Часть 1. Основные физические величины, единицы их измерения, формулы для нахождения.

Наименование	Обозначения	Единицы измерения в СИ	Формулы
Магнитная индукция	В	Тл  (Тесла)
Сила Ампера	FА	Н  (Ньютон)
Сила Лоренца	FЛ	Н  (Ньютон)	Fл = qvBsinα
Магнитный поток	Ф	Вб  (Вебер)	Ф = BScosα
Закон ЭМИ	εi	В  (Вольт)
ЭДС самоиндукции	εis	В  (Вольт)
Индуктивность	L	Гн  (Генри)
Энергия магнитного поля	W	Дж  (Джоуль)

Часть 2. Основные понятия.

Расширения для Joomla

Подробности

Просмотров: 5115

Магнетизм — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи

Оглавление:

 

Основные теоретические сведения

Сила Ампера

К оглавлению…

Заряженные тела способны создавать кроме электрического еще один вид поля. Если заряды движутся, то в пространстве вокруг них создается особый вид материи, называемый магнитным полем. Следовательно, электрический ток, представляющий собой упорядоченное движение зарядов, тоже создает магнитное поле. Как и электрическое поле, магнитное поле не ограничено в пространстве, распространяется очень быстро, но все же с конечной скоростью. Его можно обнаружить только по действию на движущиеся заряженные тела (и, как следствие, токи).

Для описания магнитного поля необходимо ввести силовую характеристику поля, аналогичную вектору напряженности E электрического поля. Такой характеристикой является вектор B магнитной индукции. В системе единиц СИ за единицу магнитной индукции принят 1 Тесла (Тл). Если в магнитное поле с индукцией B поместить проводник длиной l с током I, то на него будет действовать сила, называемая силой Ампера, которая вычисляется по формуле:

где: В – индукция магнитного поля, I – сила тока в проводнике, l – его длина. Сила Ампера направлена перпендикулярно вектору магнитной индукции и направлению тока, текущего по проводнику. 

Для определения направления силы Ампера обычно используют правило «Левой руки»: если расположить левую руку так, чтобы линии индукции входили в ладонь, а вытянутые пальцы были направлены вдоль тока, то отведенный большой палец укажет направление силы Ампера, действующей на проводник (см. рисунок).

Если угол α между направлениями вектора магнитной индукции и тока в проводнике отличен от 90°, то для определения направления силы Ампера надо взять составляющую магнитного поля, которая перпендикулярна направлению тока. Решать задачи этой темы нужно так же как и в динамике или статике, т.е. расписав силы по осям координат или складывая силы по правилам сложения векторов.

Момент сил, действующих на рамку с током

Пусть рамка с током находится в магнитном поле, причём плоскость рамки перпендикулярна полю. Силы Ампера будут сжимать рамку, а их равнодействующая будет равна нулю. Если поменять направление тока, то силы Ампера поменяют своё направление, и рамка будет не сжиматься, а растягиваться. Если линии магнитной индукции лежат в плоскости рамки, то возникает вращательный момент сил Ампера. Вращательный момент сил Ампера равен:

где: S — площадь рамки, α — угол между нормалью к рамке и вектором магнитной индукции (нормаль — вектор, перпендикулярный плоскости рамки), N – количество витков, B – индукция магнитного поля, I – сила тока в рамке.

 

Сила Лоренца

К оглавлению…

Сила Ампера, действующая на отрезок проводника длиной Δl с силой тока I, находящийся в магнитном поле B может быть выражена через силы, действующие на отдельные носители заряда. Эти силы называют силами Лоренца. Сила Лоренца, действующая на частицу с зарядом q в магнитном поле B, двигающуюся со скоростью v, вычисляется по следующей формуле:

Угол α в этом выражении равен углу между скоростью и вектором магнитной индукции. Направление силы Лоренца, действующей на положительно заряженную частицу, так же, как и направление силы Ампера, может быть найдено по правилу левой руки или по правилу буравчика (как и сила Ампера). Вектор магнитной индукции нужно мысленно воткнуть в ладонь левой руки, четыре сомкнутых пальца направить по скорости движения заряженной частицы, а отогнутый большой палец покажет направление силы Лоренца. Если частица имеет отрицательный заряд, то направление силы Лоренца, найденное по правилу левой руки, надо будет заменить на противоположное.

Сила Лоренца направлена перпендикулярно векторам скорости и индукции магнитного поля. При движении заряженной частицы в магнитном поле сила Лоренца работы не совершает. Поэтому модуль вектора скорости при движении частицы не изменяется. Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле под действием силы Лоренца, а ее скорость лежит в плоскости, перпендикулярной вектору индукции магнитного поля, то частица будет двигаться по окружности, радиус которой можно вычислить по следующей формуле:

Сила Лоренца в этом случае играет роль центростремительной силы. Период обращения частицы в однородном магнитном поле равен:

Последнее выражение показывает, что для заряженных частиц заданной массы m период обращения (а значит и частота, и угловая скорость) не зависит от скорости (следовательно, и от кинетической энергии) и радиуса траектории R.

 

Теория о магнитном поле

К оглавлению…

Магнитное взаимодействие токов

Если по двум параллельным проводам идёт ток в одном направлении, то они притягиваются; если в противоположных направлениях, то отталкиваются. Закономерности этого явления были экспериментально установлены Ампером.  Взаимодействие токов вызывается их магнитными полями: магнитное поле одного тока действует силой Ампера на другой ток и наоборот. Опыты показали, что модуль силы, действующей на отрезок длиной Δl каждого из проводников, прямо пропорционален силам тока I₁ и I₂ в проводниках, длине отрезка Δl и обратно пропорционален расстоянию R между ними:

где: μ₀ – постоянная величина, которую называют магнитной постоянной. Введение магнитной постоянной в СИ упрощает запись ряда формул. Ее численное значение равно:

μ₀ = 4π·10^–7 H/A² ≈ 1,26·10^–6 H/A².

Сравнивая приведенное только что выражение для силы взаимодействия двух проводников с током и выражение для силы Ампера нетрудно получить выражение для индукции магнитного поля создаваемого каждым из прямолинейных проводников с током на расстоянии R от него:

где: μ – магнитная проницаемость вещества (об этом чуть ниже). Если ток протекает по круговому витку, то в центре витка индукция магнитного поля определяется по формуле:

Силовыми линиями магнитного поля называют линии, по касательным к которым располагаются магнитные стрелки. Магнитной стрелкой называют длинный и тонкий магнит, его полюса точечны. Подвешенная на нити магнитная стрелка всегда поворачивается в одну сторону. При этом один её конец направлен в сторону севера, второй — на юг. Отсюда название полюсов: северный (N) и южный (S). Магниты всегда имеют два полюса: северный (обозначается синим цветом или буквой N) и южный (красным цветом или буквой S). Магниты взаимодействуют так же, как и заряды: одноименные полюса отталкиваются, а разноименные – притягиваются. Невозможно получить магнит с одним полюсом. Даже если магнит разломать, то у каждой части будет по два разных полюса.

Вектор магнитной индукции

Вектор магнитной индукции — векторная физическая величина, являющаяся характеристикой магнитного поля, численно равная силе, действующей на элемент тока в 1 А и длиной 1 м, если направление силовой линии перпендикулярно проводнику. Обозначается В, единица измерения — 1 Тесла. 1 Тл — очень большая величина, поэтому в реальных магнитных полях магнитную индукцию измеряют в мТл.

Вектор магнитной индукции направлен по касательной к силовым линиям, т.е. совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки, помещённой в данное магнитное поле. Направление вектора магнитной индукции не совпадает с направлением силы, действующей на проводник, поэтому силовые линии магнитного поля, строго говоря, силовыми не являются.

Силовая линия магнитного поля постоянных магнитов направлена по отношению к самим магнитам так, как показано на рисунке:

В случае магнитного поля электрического тока для определения направления силовых линий используют правило «Правой руки»: если взять проводник в правую руку так, чтобы большой палец был направлен по току, то четыре пальца, обхватывающие проводник, показывают направление силовых линий вокруг проводника:

В случае прямого тока линии магнитной индукции — окружности, плоскости которых перпендикулярны току. Вектора магнитной индукции направлены по касательной к окружности.

Соленоид — намотанный на цилиндрическую поверхность проводник, по которому течёт электрический ток I. Магнитное поле соленоида подобно полю прямого постоянного магнита. Внутри соленоида длиной l и количеством витков N создается однородное магнитное поле с индукцией (его направление также определяется правилом правой руки):

Линии магнитного поля имеют вид замкнутых линий — это общее свойство всех магнитных линий. Такое поле называют вихревым. В случае постоянных магнитов линии не оканчиваются на поверхности, а проникают внутрь магнита и замыкаются внутри. Это различие электрического и магнитного полей объясняется тем, что, в отличие от электрических, магнитных зарядов не существует.

Магнитные свойства вещества

Все вещества обладают магнитными свойствами. Магнитные свойства вещества характеризуются относительной магнитной проницаемостью μ, для которой верно следующее:

Данная формула выражает соответствие вектора магнитной индукции поля в вакууме и в данной среде. В отличие от электрического, при магнитном взаимодействии в среде можно наблюдать и усиление, и ослабление взаимодействия по сравнению с вакуумом, у которого магнитная проницаемость μ = 1. У диамагнетиков магнитная проницаемость μ немного меньше единицы. Примеры: вода, азот, серебро, медь, золото. Эти вещества несколько ослабляют магнитное поле. Парамагнетики — кислород, платина, магний — несколько усиливают поле, имея μ немного больше единицы. У ферромагнетиков — железо, никель, кобальт — μ >> 1. Например, у железа μ ≈ 25000.

 

Магнитный поток. Электромагнитная индукция

К оглавлению…

Явление электромагнитной индукции было открыто выдающимся английским физиком М.Фарадеем в 1831 году. Оно заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур. Магнитным потоком Φ через площадь S контура называют величину:

где: B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором магнитной индукции B и нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура, S – площадь контура, N – количество витком в контуре. Единица магнитного потока в системе СИ называется Вебером (Вб).

Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции ε_инд, равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус:

Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум возможным причинам.

1. Магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле. Возникновение ЭДС индукции объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.
2. Вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре.

При решении задач важно сразу определить за счет чего меняется магнитный поток. Возможно три варианта:

1. Меняется магнитное поле.
2. Меняется площадь контура.
3. Меняется ориентация рамки относительно поля.

При этом при решении задач обычно считают ЭДС по модулю. Обратим внимание также внимание на один частный случай, в котором происходит явление электромагнитной индукции. Итак, максимальное значение ЭДС индукции в контуре состоящем из N витков, площадью S, вращающемся с угловой скоростью ω в магнитном поле с индукцией В:

 

Движение проводника в магнитном поле

К оглавлению…

При движении проводника длиной l в магнитном поле B со скоростью v на его концах возникает разность потенциалов, вызванная действием силы Лоренца на свободные электроны в проводнике. Эту разность потенциалов (строго говоря, ЭДС) находят по формуле:

где: α — угол, который измеряется между направлением скорости и вектора магнитной индукции. В неподвижных частях контура ЭДС не возникает.

Если стержень длиной L вращается в магнитном поле В вокруг одного из своих концов с угловой скоростью ω, то на его концах возникнет разность потенциалов (ЭДС), которую можно рассчитать по формуле:

 

Индуктивность. Самоиндукция. Энергия магнитного поля

К оглавлению…

Самоиндукция является важным частным случаем электромагнитной индукции, когда изменяющийся магнитный поток, вызывающий ЭДС индукции, создается током в самом контуре. Если ток в рассматриваемом контуре по каким-то причинам изменяется, то изменяется и магнитное поле этого тока, а, следовательно, и собственный магнитный поток, пронизывающий контур. В контуре возникает ЭДС самоиндукции, которая согласно правилу Ленца препятствует изменению тока в контуре. Собственный магнитный поток Φ, пронизывающий контур или катушку с током, пропорционален силе тока I:

Коэффициент пропорциональности L в этой формуле называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью катушки. Единица индуктивности в СИ называется Генри (Гн).

Запомните: индуктивность контура не зависит ни от магнитного потока, ни от силы тока в нем, а определяется только формой и размерами контура, а также свойствами окружающей среды. Поэтому при изменении силы тока в контуре индуктивность остается неизменной. Индуктивность катушки можно рассчитать по формуле:

где: n — концентрация витков на единицу длины катушки:

ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке с постоянным значением индуктивности, согласно формуле Фарадея равна:

Итак ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в ней.

Магнитное поле обладает энергией. Подобно тому, как в заряженном конденсаторе имеется запас электрической энергии, в катушке, по виткам которой протекает ток, имеется запас магнитной энергии. Энергия W_м магнитного поля катушки с индуктивностью L, создаваемого током I, может быть рассчитана по одной из формул (они следуют друг из друга с учётом формулы Φ = LI):

Соотнеся формулу для энергии магнитного поля катушки с её геометрическими размерами можно получить формулу для объемной плотности энергии магнитного поля (или энергии единицы объёма):

 

Правило Ленца

К оглавлению…

Инерция – явление, происходящее и в механике (при разгоне автомобиля мы отклоняемся назад, противодействуя увеличению скорости, а при торможении отклоняемся вперёд, противодействуя уменьшению скорости), и в молекулярной физике (при нагревании жидкости увеличивается скорость испарения, самые быстрые молекулы покидают жидкость, уменьшая скорость нагревания) и так далее. В электромагнетизме инерция проявляется в противодействии изменению магнитного потока, пронизывающего контур. Если магнитный поток нарастает, то возникающий в контуре индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать нарастанию магнитного потока, а если магнитный поток убывает, то возникающий в контуре индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать убыванию магнитного потока.

Правило Ленца для определения направления индукционного тока: возникающий в контуре индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, которое вызывало этот ток.

Плотность магнитного потока | Магнит-Лексикон / Глоссарий

Плотность магнитного потока определяется как плотность силовых линий. Как так называемое поле B, это косвенная мера силы магнитного поля. Обозначение B-field желательно: это не настоящее магнитное поле, даже если эти два термина иногда используются как синонимы в литературе.

Расчет плотности магнитного потока

В то время как по определению плотность магнитного потока описывается буквой B , буква для магнитного поля — H. Следующее соотношение применяется с так называемыми константами проницаемости μ0 (для вакуума) и μ (для дополнительных материалов):

Константа проницаемости может варьироваться в зависимости от типа материала:

• Пока материал не является ферромагнитным, константа проницаемости для материала μ около 1.
• В случае ферромагнитных материалов, это значение иногда может доходить до 100000.
• Если это снова сверхпроводник, то μ = 0 .

Произведение двух констант проницаемости и магнитного поля H , таким образом, по определению дает плотность магнитного потока B. Она измеряется в единицах Тесла (Тл).

Справочная информация

Многие не могут реально использовать формулу плотности магнитного потока, упомянутую выше. Описательное объяснение физического фона должно немного помочь: так называемое магнитное поле образуется вокруг проводника, по которому течет электричество.Это будет воздействовать на близлежащие кобальт, никель, железо или другие ферромагнитные материалы. Плотность магнитного потока B , в свою очередь, показывает, насколько сильным является это магнитное поле на самом деле. Иногда его еще называют , магнитная индукция . B описывает плотность магнитного потока через поверхность. Для выполнения этого расчета существует множество формул.

Зависимость плотности магнитного потока от магнитного потока — есть ли здесь разница?

Плотность магнитного потока, проходящего через воображаемую поверхность, и есть магнитный поток.Полезно представить себе изображение с силовыми линиями магнитного поля между двумя полюсами. Плотность силовых линий в поперечном сечении — это, так сказать, плотность магнитного потока.

Согласно так называемым уравнениям Максвелла — хорошо известному физическому закону в электродинамике — силовые линии не могут просто остановиться. Таким образом, магнитная индукция магнита продолжает работать снаружи. Магнитный поток сам по себе имеет символ формулы Φ и в основном обозначает всех силовых линий магнитного поля. Следовательно, магнитный поток возникает от определенной области A к изделию с плотностью магнитного потока B. Область должна быть перпендикулярна потоку.

Движущиеся заряды — т. Е. Токи — вызывают магнитный поток. У этого нет ни начала, ни конца, потому что токи создают только замкнутые силовые линии. Физически корректно, это означает, что нет источников и стоков магнитного потока или плотности магнитного потока. Этот факт является причиной того, что два полюса всегда образуют магнит: южный полюс и северный полюс.

Уравнения Максвелла из электродинамики выражают этот факт математически. Важно понимать, что постоянные магниты также основаны на этом поведении в отношении плотности магнитного потока: там образуются микроскопических круговых токов с током I, , вызванные перемещениями электронов в материале. Они несут ответственность за магнитный поток или магнитное поле. Круговой ток создает так называемый магнитный момент с южным полюсом ниже проводящей петли и северным полюсом над этой проводящей петлей.Если бы направление тока было изменено на противоположное, полюса поменяли бы местами.

Таким образом, с физической точки зрения магнитный поток определяется индуктивным эффектом, который он оказывает на проводящую петлю. Если петля проводника с известной площадью попадает в магнитное поле, это указывает на наличие там скачка напряжения. Магнитный поток равен интегралу по времени по этому скачку:

Магнитный поток измеряется с помощью этой проводящей петли и индуцируемого в ней напряжения. Однако это уже не распространенный метод: так называемый зонд Холла намного точнее. Если плотность магнитного потока проходит через изогнутую поверхность, магнитный поток должен быть определен как интеграл по нормали к поверхности от векторной плотности потока:

Линии поля, проходящие через замкнутую поверхность, например поверхность сферы, также должны выходить оттуда. Такова природа замкнутых силовых линий: Математически это проявляется в том, что магнитный поток через замкнутые поверхности всегда равен нулю. Следовательно, нет источников или стоков в плотности магнитного потока.

Эквивалент этого — утверждение одного из четырех уравнений Максвелла о так называемой свободе от дивергенции плотности магнитного потока.

Единица измерения магнитного потока ф. Основные формулы

Weber (единица магнитного потока) Weber, единица магнитного потока, включенная в Международную систему единиц. Назван в честь немецкого физика В. Вебера, русское обозначение wb, международное Wb. V. — это магнитный поток, когда он уменьшается до нуля в соединенной с ним цепи с сопротивлением 1 Ом, количество электричества проходит через 1 кулон.В противном случае V. можно определить как магнитный поток, равномерное изменение которого до нуля в течение интервала времени 1 с вызывает ЭДС, равную 1, в замкнутом контуре, через который он проникает. вольт. Следовательно, 1 Втб = (1 Ом). (1 k) или 1 wb = (1 c). (1 сек). 1 мкс (максвелл — единица магнитного потока в системе СГС) = 10-8 вб. В Международной системе единиц (СИ) Вебер определяется как магнитный поток, создаваемый однородным магнитным полем с индукцией 1 тесла на платформе 1 м 2. , перпендикулярно направлению поля: 1 wb = (1t) «(1m 2 ).

Большая Советская энциклопедия … — М .: Советская энциклопедия. 1969–1978 .

Посмотреть, что такое «Вебер (единица магнитного потока)» в других словарях:

Weber (обозначение: Wb, Wb) — единица измерения магнитного потока в системе СИ. По определению, изменение магнитного потока через замкнутый контур со скоростью один Вебер в секунду вызывает в этом контуре ЭДС, равную одному вольту (см. Закон … … Википедия

WEBER, единица магнитного потока (см. МАГНИТНЫЙ ПОТОК) Ф и потокосцепления (см. МУФТА ПОТОКА) в системе СИ, названа в честь В.Вебер. площадь поверхности 1 … … энциклопедический словарь

У этого термина есть и другие значения, см. Weber. Вебер (обозначение: Wb, Wb) — единица измерения магнитного потока в системе СИ. По определению, изменение магнитного потока через замкнутый контур со скоростью один вебер в секунду приводит к … … Википедия

Максвелл, единица магнитного потока СГС. Назван в честь английского физика Дж. К. Максвелла. Сокращенное обозначение: Российская МКС, международная Mx. М. ≈ магнитный поток, проходящий в однородном магнитном поле с индукцией 1… … Большая Советская Энциклопедия

WEBER — единица магнитного потока в СИ, обозначается Wb … Большая политехническая энциклопедия

Вебер Вильгельм Эдвард (1804–91), немецкий физик, который в 1846 году стандартизировал единицы измерения ЭЛЕКТРИЧЕСТВА, связав их с основными измерениями массы, длины, заряда и времени. Он был первым физиком, который рассмотрел … … Научно-технический энциклопедический словарь — единица измерения магнитного потока в системе СИ. 1 Wb равен магнитному потоку, когда он уменьшается до нуля в соединенной с ним цепи с сопротивлением 1 Ом, количество электричества, равное 1 C, проходит через поперечное сечение проводника за 1 секунду…. … Медицинские термины

Используя силовые линии, можно не только показать направление магнитного поля, но и охарактеризовать величину его индукции.

Мы договорились провести силовые линии таким образом, чтобы через 1 см² площади, перпендикулярной вектору индукции в определенной точке, было количество линий, равное индукции поля в этой точке.

В месте, где индукция поля больше, силовые линии будут более плотными.И, наоборот, там, где индукция поля меньше, силовые линии также встречаются реже.

Магнитное поле с одинаковой индукцией во всех точках называется однородным полем. Графически однородное магнитное поле изображается силовыми линиями, которые расположены на одинаковом расстоянии друг от друга.

Примером однородного поля является поле внутри длинного соленоида, а также поле между близко расположенными параллельными плоскими полюсными наконечниками электромагнита.

Произведение индукции магнитного поля, проникающего в данную цепь, на ее площадь называется магнитным потоком магнитной индукции или просто магнитным потоком.

Определение ему дал и его свойства изучил английский ученый-физик — Фарадей. Он обнаружил, что эта концепция позволяет глубже взглянуть на единую природу магнитных и электрических явлений.

Обозначив буквой Ф магнитный поток, площадь контура S и угол между направлением вектора индукции B и нормалью n к площади контура α, можно записать следующее равенство :

Ф = В S cos α.

Магнитный поток — это скалярная величина.

Поскольку плотность силовых линий произвольного магнитного поля равна его индукции, то магнитный поток равен всему количеству силовых линий, пронизывающих этот контур.

С изменением поля меняется и магнитный поток, пронизывающий контур: с увеличением поля он увеличивается, с уменьшением — уменьшается.

Единица магнитного потока в — это поток, который проникает на площадь 1 м², находится в однородном магнитном поле, с индукцией 1 Вт / м² и расположен перпендикулярно вектору индукции.Такая единица называется вебером:

1 Втб = 1 Вт / м² ˖ 1 м².

Изменяющийся магнитный поток создает электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (вихревое электрическое поле). Такое поле проявляется в проводнике как действие посторонних сил. Это явление называется электромагнитной индукцией, а возникающая при этом электродвижущая сила называется ЭДС индукции.

Кроме того, следует отметить, что магнитный поток позволяет охарактеризовать весь магнит в целом (или любые другие источники магнитного поля).Следовательно, если это позволяет охарактеризовать его действие в любой отдельной точке, то магнитный поток целиком. То есть можно сказать, что это второе по важности. А это означает, что если магнитная индукция действует как силовая характеристика магнитного поля, то магнитный поток является его энергетической характеристикой.

Возвращаясь к экспериментам, можно также сказать, что каждый виток катушки можно представить как отдельно взятый замкнутый виток. Тот самый контур, по которому будет проходить магнитный поток вектора магнитной индукции.В этом случае будет наблюдаться индукционный электрический ток. Таким образом, именно под действием магнитного потока в замкнутом проводнике формируется электрическое поле. А затем это электрическое поле образует электрический ток.

« Физика — 11 класс»

Электромагнитная индукция

Английский физик Майкл Фарадей был убежден в единой природе электрических и магнитных явлений.
Изменяющееся во времени магнитное поле создает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле.
В 1831 году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, которое легло в основу устройства генераторов, преобразующих механическую энергию в энергию электрического тока.

Явление электромагнитной индукции

Явление электромагнитной индукции — это появление электрического тока в проводящей цепи, которая либо находится в изменяющемся во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что количество линий магнитной индукции, пронизывающих цепь изменения.

Для своих многочисленных экспериментов Фарадей использовал две катушки, магнит, переключатель, источник постоянного тока и гальванометр.

Электрический ток способен намагничивать кусок железа. Может ли магнит вызвать электрический ток?

В результате экспериментов Фарадей установил основных признаков явлений электромагнитной индукции:

ед.). индукционный ток возникает в одной из катушек в момент замыкания или размыкания электрической цепи другой катушки, которая неподвижна относительно первой.

2) индукционный ток возникает при изменении силы тока в одной из катушек с помощью реостата 3). индукционный ток возникает при движении катушек относительно друг друга 4). индукционный ток возникает, когда постоянный магнит движется относительно катушки

Вывод:

В замкнутой проводящей цепи ток возникает, когда количество линий магнитной индукции, проходящих через поверхность, ограниченную этой цепью, изменяется.
И чем быстрее изменяется количество линий магнитной индукции, тем больше получается индукционный ток.

Неважно. в чем причина изменения количества линий магнитной индукции.
Это также может быть изменение количества линий магнитной индукции, проходящих через поверхность, ограниченную неподвижной проводящей цепью, из-за изменения силы тока в соседней катушке,

и изменение количества линий индукции за счет движения контура в неоднородном магнитном поле, плотность линий которого изменяется в пространстве и т. Д.

Магнитный поток

Магнитный поток — характеристика магнитного поля, которая зависит от вектора магнитной индукции во всех точках поверхности, ограниченных плоским замкнутым контуром.

Имеется плоский замкнутый проводник (контур), ограничивающий поверхность площадью S и помещенный в однородное магнитное поле.
Нормаль (вектор, модуль которого равен единице) к плоскости проводника составляет угол α с направлением вектора магнитной индукции

Магнитный поток Ф (поток вектора магнитной индукции) через поверхность площадью S называется величиной, равной произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь S и косинус угла α между векторами и:

Ф = BScos α

где
Bcos α = B n — проекция вектора магнитной индукции на нормаль к плоскости контура.
следовательно

Ф = B n S

Чем больше магнитный поток, тем больше In n и S .

Магнитный поток зависит от ориентации поверхности, через которую проникает магнитное поле.

Магнитный поток можно графически интерпретировать как величину, пропорциональную количеству линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность площадью S .

Единица магнитного потока — weber .
Магнитный поток в 1 weber ( 1 Wb ) создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м 2, расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции.

Магнитные материалы — это те материалы, которые подвержены влиянию специальных силовых полей, в свою очередь, немагнитные материалы не подвержены или слабо подвержены силам магнитного поля, которое обычно представлено с помощью силовых линий (магнитного потока). с определенными свойствами. Помимо того, что они всегда образуют замкнутые петли, они ведут себя так, как будто они упругие, то есть во время искажения они пытаются вернуться на прежнее расстояние и свою естественную форму.

Невидимая сила

Магниты притягивают определенные металлы, особенно железо и сталь, а также никель, никель, хром и кобальтовые сплавы. Материалы, создающие гравитационные силы, — это магниты. Они бывают разных видов. Материалы, которые легко намагничиваются, называются ферромагнитными. Они могут быть твердыми или мягкими. Мягкие ферромагнитные материалы, такие как железо, быстро теряют свои свойства. Магниты из этих материалов называются временными магнитами. Жесткие материалы, такие как сталь, служат намного дольше и используются постоянно.

Магнитный поток: определение и характеристики

Вокруг магнита существует определенное силовое поле, которое создает возможность генерации энергии. Магнитный поток равен произведению средних силовых полей перпендикулярной поверхности, в которую он проникает. Обозначается символом «Ф», измеряется в единицах Вебера (ВБ). Количество потока, проходящего через данную область, будет меняться от одной точки к другой вокруг объекта.Таким образом, магнитный поток — это так называемая мера силы магнитного поля или электрического тока, основанная на общем количестве заряженных силовых линий, проходящих через данную область.

Раскрытие тайны магнитных потоков

Все магниты, независимо от их формы, имеют две области, называемые полюсами, способные создавать определенную цепочку организованных и сбалансированных систем невидимых силовых линий. Эти линии от ручья образуют особое поле, форма которого в одних частях проявляется сильнее, чем в других.Области наибольшей привлекательности называются полюсами. Линии векторного поля нельзя обнаружить невооруженным глазом. Визуально они всегда отображаются в виде линий поля с однозначными полюсами на каждом конце материала, где линии более плотные и сконцентрированные. Магнитный поток — это линии, которые создают колебания притяжения или отталкивания, показывая их направление и интенсивность.

Линии магнитного потока

Силовые линии магнитного поля определяются как кривые, которые движутся по определенной траектории в магнитном поле.Касательная к этим кривым в любой точке показывает направление магнитного поля там. Характеристики:

Каждая выкидная линия образует замкнутый контур.

Эти индукционные линии никогда не пересекаются, но имеют тенденцию сокращаться или растягиваться, изменяя свой размер в том или ином направлении.

Обычно силовые линии начинаются и заканчиваются на поверхности.

Также есть определенное направление с севера на юг.

Силовые линии, расположенные близко друг к другу, образуют сильное магнитное поле.

• Когда соседние полюса совпадают (север-север или юг-юг), они отталкиваются друг от друга. Когда соседние полюса не совпадают (север-юг или юг-север), они притягиваются друг к другу. Этот эффект напоминает известное выражение «притягивают противоположности».

Магнитные молекулы и теория Вебера

Теория Вебера основана на том факте, что все атомы обладают магнитными свойствами благодаря связи между электронами в атомах. Группы атомов объединяются таким образом, что окружающие их поля вращаются в одном направлении.Эти виды материалов состоят из групп крошечных магнитов (если смотреть на молекулярном уровне) вокруг атомов, что означает, что ферромагнитный материал состоит из молекул, обладающих силами притяжения. Они известны как диполи и сгруппированы в домены. Когда материал намагничивается, все домены становятся одним целым. Материал теряет способность притягивать и отталкивать, если его домены отключены. Диполи вместе образуют магнит, но по отдельности каждый из них пытается оттолкнуться от униполярного, таким образом, противоположные полюса притягиваются.

Поля и полюса

Сила и направление магнитного поля определяются линиями магнитного потока. Зона притяжения сильнее там, где линии расположены близко друг к другу. Линии находятся ближе всего к полюсу основного основания, где притяжение наиболее сильно. Сама планета Земля находится в этом мощном силовом поле. Он действует так, как будто гигантская полосатая намагниченная пластина проходит через середину планеты. Северный полюс стрелки компаса указывает на точку, называемую Северным магнитным полюсом, а Южный полюс указывает на Магнитный Юг.Однако эти направления отличаются от географических Северного и Южного полюсов.

Природа магнетизма

Магнетизм играет важную роль в электротехнике и электронике, поскольку без его компонентов, таких как реле, соленоиды, индукторы, дроссели, катушки, громкоговорители, электродвигатели, генераторы, трансформаторы, счетчики электроэнергии и т. Д. Не получится. Магниты можно найти в естественном состоянии в виде магнитных руд. Существует два основных типа: магнетит (также называемый оксидом железа) и магнитная железная руда.Молекулярная структура этого материала в немагнитном состоянии представлена ​​в виде свободной магнитной цепи или отдельных крошечных частиц, которые свободно расположены в произвольном порядке. Когда материал намагничивается, это случайное расположение молекул изменяется, и крошечные случайные молекулярные частицы выстраиваются таким образом, что образуют целую серию расположений. Эта идея молекулярного выравнивания ферромагнитных материалов называется теорией Вебера.

Измерение и практическое применение

Наиболее распространенные генераторы используют магнитный поток для выработки электроэнергии.Его мощность широко используется в электрогенераторах. Устройство, которое служит для измерения этого интересного явления, называется флюксметром, оно состоит из катушки и электронного оборудования, которое оценивает изменение напряжения в катушке. В физике поток — это мера количества силовых линий, проходящих через определенную область. Магнитный поток — это мера количества магнитных силовых линий.

Иногда даже немагнитный материал может обладать диамагнитными и парамагнитными свойствами.Интересным фактом является то, что силы тяжести можно разрушить путем нагревания или удара молотком из того же материала, но их нельзя разрушить или изолировать, просто разбив большой образец надвое. У каждого осколка будет свой северный и южный полюс, независимо от того, насколько маленькие кусочки.

Магнитная индукция (обозначается символом B) — основное характеристическое магнитное поле (векторная величина), определяющее силу воздействия на движущийся электрический заряд (ток) в магнитном поле, направленном в перпендикулярном направлении скорости движения .

Магнитная индукция определяется способностью воздействовать на объект с помощью магнитного поля. Эта способность проявляется, когда перемещает постоянный магнит в катушке, в результате чего в катушке индуцируется (генерируется) ток, в то время как магнитный поток в катушке также увеличивается.

Физический смысл магнитной индукции

Физически это явление объясняется следующим образом … Металл имеет кристаллическую структуру (катушка сделана из металла).В кристаллической решетке металла расположены электрические заряды-электроны. Если на металл не действует магнитное воздействие, то заряды (электроны) покоятся и никуда не движутся.

Если на металл воздействует переменное магнитное поле (из-за движения постоянного магнита внутри катушки — , а именно смещение ), то заряды начинают двигаться под действием этого магнитного поля.

В результате в металле возникает электрический ток.Сила этого тока зависит от физических свойств магнита и катушки и скорости движения одного относительно другого.

Когда металлическую катушку помещают в магнитное поле, заряженные частицы металлической решетки (в сундуке) поворачиваются под определенным углом и размещаются вдоль силовых линий.

Чем выше напряженность магнитного поля, тем больше вращается количество частиц и тем более равномерным будет их расположение.

Магнитные поля, ориентированные в одном направлении, не нейтрализуют друг друга, а складываются, образуя единое поле.

Формула магнитной индукции

где, IN — вектор магнитной индукции, F — максимальная сила, действующая на проводник с током, I — сила тока в проводнике, l — длина проводника .

Магнитный поток

Магнитный поток — это скалярная величина, которая характеризует влияние магнитной индукции на определенный металлический контур.

Магнитная индукция определяется количеством силовых линий, проходящих через 1 см2 металлического сечения.

Магнитометры, используемые для его измерения, называются теслометрами.

В системе СИ единица магнитной индукции — Тесла (Тл).

После прекращения движения электронов в катушке сердечник, если он сделан из мягкого железа, теряет свои магнитные свойства. Если он изготовлен из стали, то он может некоторое время сохранять свои магнитные свойства.

Электромагнитное излучение и поля

Электромагнитное излучение

Электромагнитное поле (ЭМП) генерируется при ускорении заряженных частиц, например электронов.Заряженные частицы в движении создают магнитные поля. Электрические и магнитные поля присутствуют вокруг любой электрической цепи, будь то электричество переменного (AC) или постоянного (DC) тока. Поскольку постоянный ток статичен, а переменный ток меняется по направлению, поля от источников постоянного и переменного тока существенно различаются. Статические поля, например, не вызывают токов в неподвижных объектах, в отличие от полей переменного тока. Статические магнитные поля не меняются во времени и, следовательно, не имеют частоты (0 герц [Гц]).

Наиболее известные магнитные эффекты возникают в ферромагнитных материалах, которые сильно притягиваются магнитными полями и могут быть намагничены, чтобы стать постоянными магнитами, которые сами создают магнитные поля. Лишь немногие вещества являются ферромагнитными; наиболее распространены железо, никель, кобальт и их сплавы.

Напряженность магнитного поля обычно измеряется в теслах (Тл или мТл) или гауссах (Гс). Бытовые магниты имеют силу порядка нескольких десятков миллитесла (1 мТл = 10 ^–3 Тл), в то время как напряженность поля оборудования магнитно-резонансной томографии (МРТ) колеблется от 1.От 5 до 10 т.

Статические электрические поля

Электрическое поле — это силовое поле, создаваемое притяжением и отталкиванием электрических зарядов, и оно измеряется в вольтах на метр (В / м). Статическое электрическое поле (также называемое электростатическим полем) создается зарядами, которые фиксируются в пространстве. Сила естественного статического электрического поля в атмосфере варьируется от примерно 100 В / м в хорошую погоду до нескольких тысяч В / м под грозовыми облаками. Другим источником статических электрических полей является разделение зарядов в результате трения или статических электрических токов от различных технологий.В домашних условиях зарядовые потенциалы в несколько киловольт могут накапливаться при ходьбе по непроводящему ковру, создавая локальные поля. Высоковольтные линии электропередачи постоянного тока могут создавать статические электрические поля до 20 кВ / м и более.

Источники с напряженностью поля более 5–7 кВ / м могут создавать широкий спектр опасностей, таких как реакции вздрагивания, связанные с искровыми разрядами, и контактные токи от незаземленных проводников внутри поля.

Статические магнитные поля

Магнитное поле — это силовое поле, создаваемое магнитом или зарядами, которые движутся в устойчивом потоке, как при постоянном токе (DC).Статические магнитные поля оказывают притягивающую силу на металлические предметы, содержащие, например, железо, никель или кобальт. Количество феррита (форма железа) или мартенситной стали (особый тип сплава нержавеющей стали) в объекте влияет на его магнитную способность: чем больше количество этих компонентов, тем выше ферромагнетизм. Все типы нержавеющей стали серии 400 являются магнитными. Аустенитная сталь немагнитна. Большая часть, но не вся нержавеющая сталь серии 300 является аустенитной, а не магнитной.

Источники статических магнитных полей, обнаруженные в лаборатории Беркли, включают оборудование ядерного магнитного резонанса (ЯМР), системы МРТ, системы спектроскопии, ионные насосы, квадруполи и секступоли, изгибные магниты, сверхпроводящие магниты и криостаты.

Статические магнитные поля также могут стирать данные, хранящиеся на магнитных носителях или на полосах кредитных или дебетовых карт и бейджей.

Изменяющиеся во времени магнитные поля

Изменяющиеся во времени магнитные поля — это магнитные поля, которые меняют свое направление с постоянной частотой.Они могут индуцировать электрический ток в проводнике, присутствующем в этом поле, а также в теле человека. Изменяющиеся во времени магнитные поля создаются устройствами, использующими переменный ток, такими как антенны сотовых телефонов, микроволновые печи и т. Д. Общее практическое правило состоит в том, что 1 Тл / сек может индуцировать около 1 микроампер на квадратный сантиметр (мкА / см ² ) в тело.

Наведенные в теле токи могут вызвать местное нагревание и возможные ожоги, что является основным эффектом изменяющихся во времени полей. Причина — изменяющееся во времени поле высокой радиочастоты.Низкочастотные поля обычно не вносят большого вклада в этот эффект.

Источники электромагнитного излучения

Статические магнитные поля создаются магнитами или потоком постоянного тока. Они также могут быть произведены из многих природных источников. К естественным источникам статических электрических полей относятся земная атмосфера во время шторма, заряд, возникающий при перемещении по ковру, и «статическое прилипание» одежды. Земля имеет электрическое поле около 130 В / м у поверхности из-за разделения зарядов между Землей и ионосферой.Он направлен вертикально. Земля и ионосфера вместе образуют сферический конденсатор, причем двумя проводящими поверхностями являются земля и верхняя атмосфера. Эта разница потенциалов поддерживается за счет молнии, которая несет на землю отрицательные заряды.

Земля сама по себе имеет естественное статическое магнитное поле, которое используется для навигации по компасу. Токи, протекающие глубоко в ядре Земли, создают естественные статические магнитные поля на поверхности Земли. Земля имеет статическую плотность магнитного потока, составляющую в среднем 0.5 Гс при минимальной напряженности поля на экваторе и максимальной на магнитных полюсах.

Общие источники статических магнитных полей включают постоянные магниты (которые используются в бытовой технике, игрушках и медицинских устройствах), приборы с батарейным питанием, сканеры МРТ, некоторые электрифицированные железнодорожные системы и определенные производственные процессы.

Сверхпроводящие магниты

Схематическое изображение магнитного поля, создаваемого индуцированным током.

Сверхпроводящий магнит — это электромагнит, сделанный из катушек сверхпроводящего провода.Во время работы их необходимо охлаждать до криогенных температур. В сверхпроводящем состоянии провод может проводить гораздо большие электрические токи, чем обычный провод, создавая сильные магнитные поля. Сверхпроводящие магниты используются в сканерах МРТ в больницах и в научном оборудовании, таком как спектрометры ядерного магнитного резонанса (ЯМР), масс-спектрометры и ускорители частиц.

Сверхпроводящие магниты, такие как оборудование для ЯМР и МРТ, представляют особую угрозу безопасности. Эти проблемы включают криогенную безопасность, сильные магнитные поля и возможность создания атмосферы с дефицитом кислорода.Самый высокий потенциал для наиболее серьезных из этих опасностей существует во время запуска магнита, наполнения криогенным веществом и работ по техническому обслуживанию. После того, как магниты работают и магнитные поля установлены, риски минимальны, если операторы, обслуживающий персонал, пациенты и / или посетители понимают пределы близости и процедуры, которым необходимо следовать при работе рядом с магнитом.

Ядерный магнитный резонанс

Пример системы ЯМР

Система ЯМР использует статическое магнитное поле и радиочастотный импульс для выравнивания ядерных спинов в магнитном поле, чтобы максимизировать силу сигнала ЯМР.ЯМР-спектроскопия — это метод исследования, который использует магнитные свойства определенных атомных ядер и может предоставить подробную информацию о структуре, динамике, состоянии реакции и химическом окружении молекул.

ЯМР

— это сверхпроводящие магниты, которые обычно создают поля сердечника от 0,15 Тл до 20 Тл. Эти поля уменьшаются по интенсивности по мере увеличения расстояния от сердечника. Исследовательские ЯМР более мощные, чем медицинские устройства, но их области меньше по объему, сфокусированы и быстро исчезают, что упрощает обеспечение защиты персонала.

Советы по безопасности при использовании ЯМР

Магнитно-резонансная томография

Типичный медицинский сканер МРТ

Метод МРТ используется в радиологии для создания изображений органов тела для диагностической визуализации. МРТ-сканирование основано на науке ЯМР с использованием сильных магнитных полей, радиоволн и градиентов поля для создания изображений органов тела. Сканер МРТ состоит из большого мощного магнита, в котором лежит пациент. Радиоволновая антенна используется для передачи сигналов телу, а затем приема сигналов обратно.Эти возвращаемые сигналы преобразуются в изображения компьютером, подключенным к сканеру. Изображение практически любой части тела можно получить в любой плоскости.

Большинство клинических магнитов — это сверхпроводящие магниты, для которых требуется жидкий гелий. Сила магнитного поля МРТ варьируется от 0,15 Тл до 4 Тл. Сверхпроводящие магниты при 1,5 Тл и выше позволяют получать функциональные изображения мозга и МР-спектроскопию с улучшенным временным и пространственным разрешением. Такие магниты создают дополнительные проблемы из-за радиочастотного (RF) нагрева объекта.

Советы по безопасности при использовании МРТ

Ионные насосы

Пример распылительного ионного насоса

Ионный насос (также называемый распылительным ионным насосом) представляет собой тип вакуумного насоса, способный достигать давления до 10 ⁻¹¹ миллибар (мбар) в идеальных условиях. Ионный насос ионизирует газ внутри сосуда, к которому он прикреплен, и использует сильный электрический потенциал, обычно 3–7 кВ, что позволяет ионам ускоряться и захватываться твердым электродом и его остатками.

Три основных типа ионных насосов — это обычный или стандартный диодный насос, благородный диодный насос и триодный насос.

Базовая конструкция состоит из двух электродов (анода и катода) и магнита. Ионные насосы обычно используются в системах сверхвысокого вакуума (UHV), поскольку они могут достигать предельного давления менее 10 ⁻¹¹ мбар. В отличие от других распространенных сверхвысококачественных насосов, таких как турбомолекулярные и диффузионные насосы, ионные насосы не имеют движущихся частей и не используют масло.Поэтому они чистые, не требуют особого ухода и не производят вибрации. Эти преимущества делают ионные насосы хорошо подходящими для использования в сканирующей зондовой микроскопии и других высокоточных приборах. Кроме того, они не нуждаются в запекании и предназначены для минимизации паразитного магнитного поля.

Большинство ионных насосов, установленных на лучевых линиях ALS, имеют линию 5 G в пределах 20–30 см от поверхности.

Воздействие на здоровье

Физические и биологические эффекты в статических электрических и магнитных полях

Безусловно, наиболее важным эффектом является притяжение магнитных объектов в теле или на теле магнитным полем.Такие предметы, как кардиостимуляторы, хирургические зажимы и имплантаты, планшеты, инструменты, украшения, часы, швабры, ведра, ножницы и винты, были задокументированы как потенциальные опасности. Даже маломощные предметы могут стать опасными при движении на высокой скорости. Большая часть этого опыта пришла из медицинских систем МРТ. Магнитные объекты будут пытаться выровняться с линиями магнитного поля. Если имплантированный объект попытается сделать это, крутящий момент может вызвать серьезную травму.

Современные кардиостимуляторы предназначены для тестирования или перепрограммирования с использованием небольшого магнитного поля, внешнего по отношению к телу.Статические поля могут замкнуть герконы и вызвать переход кардиостимулятора в режим тестирования, перепрограммирования, обхода и другие режимы работы с возможной травмой.

На основании данных использования МРТ статические поля могут оказывать небольшое обратимое влияние на данные электрокардиограммы. Причина — взаимодействие движущейся крови (проводящей среды) и поля в сердце. Эффект минимален (менее 2 Тл) и не считается проблемой.

Имеющаяся в настоящее время информация не указывает на какие-либо серьезные последствия для здоровья в результате острого воздействия статических магнитных полей до 8 Тл, но это может привести к потенциально неприятным эффектам, таким как головокружение во время движений головы или тела.Степень этих ощущений во многом зависит от индивидуальных факторов, таких как личная предрасположенность к укачиванию и скорость передвижения в поле.

Физические и биологические эффекты в изменяющихся во времени и индуцированных электрических полях

Эффекты изменяющихся во времени полей аналогичны эффектам статических полей. В таком поле могут возникать небольшие токи, обычно отсутствующие в теле. Обычно это не вызывает беспокойства, но они могут вызывать головокружение и сенсорные ощущения, такие как тошнота, металлический привкус во рту и слабые мерцающие зрительные ощущения (магнитофосфены).Пользователи кардиостимуляторов также могут подвергаться риску. Индуцированные токи могут привести к неправильному запуску кардиостимулятора или даже к предотвращению стимуляции, когда это действительно необходимо. Наведенные токи могут вызвать локальный нагрев, который является основным эффектом изменяющихся во времени полей.

Основным взаимодействием низкочастотных изменяющихся во времени электрических и магнитных полей с телом человека является индукция электрического поля и токов в соответствии с законом Фарадея: E = πfrB, где E — электрическое поле, f — частота, r — радиус петли, перпендикулярной магнитному полю, а B — плотность магнитного потока.Чем больше радиус r , тем больше электрическое поле и ток. У человека наибольший радиус по периметру тела.

Сообщалось о стимуляции нервной и мышечной ткани при 50–500 мТл (500–5000 G). Выше 500 мТл (5000 G) индуцированные токи могут нарушить сердечный ритм или вызвать фибрилляцию желудочков. Все эти эффекты вызваны индуцированными токами (IRPA, 1990).

Пределы электромагнитного воздействия и оценка

ПДК ACGIH относятся к плотностям потока статического магнитного поля, которым, как считается, почти все рабочие могут подвергаться многократно изо дня в день без неблагоприятных последствий для здоровья.

ПДК для обычного (8-часового) профессионального воздействия статических магнитных полей перечислены в таблице 1. Работники с имплантированными ферромагнитными или электронными медицинскими устройствами не должны подвергаться воздействию статических магнитных полей, превышающих 0,5 мТл (5 G).

Таблица 1. TLV для статических магнитных полей

TLV	Описание
5 г	Максимально допустимое поле для имплантированных кардиостимуляторов.
10 г	Могут быть повреждены часы, кредитные карты, магнитная лента, компьютерные диски.
30 г	Мелкие предметы из черных металлов представляют опасность с кинетической энергией.
20,000 G (2T)	Предел потолка для всего тела (воздействие выше этого предела не допускается).
80,000 G (8T)	Целостность (специальная подготовка работников и контролируемая рабочая среда).
200,000 G (20T)	Предел потолка конечности (воздействие выше этого предела не допускается).

Примечание. Время экспонирования, взвешенное по времени (TWA), обычно вызывает беспокойство только при чрезвычайно сильном воздействии поля на все тело.

1 гаусс (Г) = 0,1 миллитесла (мТл)

Полный список TLV можно загрузить по указанной ниже ссылке: Полный список пороговых значений.

Пороговые значения (ПДК)

Оценка воздействия

Для оценки опасности и оценки воздействия устройств, генерирующих ЭМП, необходимо выполнить измерение излучения ЭМП и сравнить его с соответствующими ПДК.Оценка должна выполняться во время установки устройства, генерирующего ЭДС, после изменения рабочих параметров, которое увеличивает опасность, или после ремонта, который может изменить рабочие параметры. Уже установленные, но не прошедшие оценку устройства следует оценивать при первой возможности. Если результаты первоначальных оценок значительно ниже ПДК, дальнейший мониторинг не требуется, если только деятельность не изменена так, чтобы ожидать увеличения воздействия. Если установлено, что результаты превышают уровни TLV или очень близки к TLV, периодический мониторинг следует проводить с частотой, достаточной для обеспечения адекватности мер контроля (обычно ежегодно).

Общие правила техники безопасности

Снаряды

Самая непосредственная опасность, связанная с магнитной средой, — это притяжение между магнитом и ферромагнитными объектами. Ферромагнитные металлические предметы могут стать летящими в воздухе снарядами в сильном магнитном поле. Инструменты и баллоны со сжатым газом могут стать неконтролируемыми и лететь, как ракеты, к магнитам в областях, где существуют сильные статические поля и сильные градиенты поля (изменения напряженности поля на расстоянии).Механические опасности зависят от напряженности поля и градиента поля, а также от того, насколько быстро сила магнитного поля изменяется с расстоянием. Очевидная мера безопасности — предотвратить попадание магнитного материала в рабочую зону.

Никогда не помещайте какие-либо части тела между магнитом и незакрепленными металлическими предметами. Если большой объект притягивается к магниту и ударяется о магнит, выйдите из комнаты, так как это может привести к гашению магнита. Сообщите своему руководителю. Если произошла травма, немедленно позвоните в службу 911.

Электронные и металлические имплантаты

Лица, носящие металлические имплантаты, такие как костные или суставные протезы, хирургические зажимы, гвозди или винты в сломанных костях, пирсинг или даже зубные пломбы, могут испытывать болезненные ощущения при воздействии сильных магнитных полей. Лица, оснащенные кардиостимуляторами, подвергаются особому риску, поскольку статические или импульсные магнитные поля могут влиять на рабочий режим их имплантированных устройств.

Проблемы с криогенным газом

Закалка

Квенч — это (обычно неожиданная) потеря сверхпроводимости в ЯМР-магните, приводящая к быстрому нагреву за счет увеличения сопротивления сильному току.Сверхпроводящий магнит содержит жидкий гелий и жидкий азот. Если магнит погаснет, значительный объем жидкого гелия превратится в газ. При гашении магнита сверхпроводящий магнит теряет способность к сверхпроводимости, и накопленная энергия выделяется в виде тепла, которое выкипает из жидкого гелия. Газообразный гелий выходит из магнитного дьюара и заполняет комнату сверху вниз (гелий легче воздуха) и образует облако у потолка. Тушение очевидно: над магнитом образуется большое облако паров гелия, сопровождаемое громким свистящим звуком, который может создать атмосферу с дефицитом кислорода.Если происходит тушение, немедленно покиньте комнату, включите пожарную сигнализацию, чтобы эвакуироваться из здания, и позвоните по номеру 911.

Закалка может сильно повредить магнит, и предметы из железа попадут в отверстие магнита.

Биоэффекты

Сверхпроводящие магниты, использующие жидкий гелий и / или азот, представляют дополнительную проблему безопасности при работе с криогенными жидкостями. Прямой контакт с кожей или тканями глаза может вызвать серьезные повреждения в результате обморожения (повреждение тканей от замерзания).При сильном обморожении поврежденные ткани могут нуждаться в ампутации. Вдыхание концентрированных криогенных газов может вызвать потерю сознания и (в конечном итоге) смерть из-за кислородного голодания (удушье).

Вентиляция помещения

В целом, пять полных замен воздуха в помещении в час считается достаточным для борьбы с небольшими разливами или выбросами криогенов. В случае серьезного выброса персонал должен немедленно покинуть помещение и держать двери открытыми. Если существует риск катастрофического выброса, следует рассмотреть возможность использования вспомогательной вентиляции для предотвращения образования атмосферы с дефицитом кислорода.

Дьюарс

Емкости для перевозки криогенов должны быть металлическими. Стекло Дьюара может легко взорваться, что приведет к серьезным травмам. Все устройства Дьюара должны иметь соответствующие вентиляционные отверстия. Невентилируемые емкости могут разорваться, когда жидкость нагреется и расширится. Необходимо постоянно следить за всеми перемещениями криогенов, чтобы предотвратить проливание или замерзание клапанов.

Средства индивидуальной защиты

При работе с криогенами используйте изолирующие перчатки, маску для лица или другие средства защиты глаз / лица от брызг, обувь с закрытым носком и лабораторные халаты.

Проблемы электробезопасности

Источники питания

Хотя источники питания, используемые для магнитов ЯМР, работают при относительно низких напряжениях (примерно 10 В), используемый ток очень высок (примерно 100 А). При контакте с тканями человека высокая сила тока чрезвычайно опасна.

Кабели, провода и соединители

Все кабели, провода и разъемы должны быть должным образом изолированы, чтобы предотвратить контакт с рабочим током. Их следует регулярно проверять, чтобы гарантировать целостность изоляции.Во избежание возникновения дуги никогда не разрывайте соединения, не отключив предварительно питание обрабатываемой цепи.

Блокировка, бирка

При работе с оборудованием, которое приводится в действие опасным источником энергии, необходимо соблюдение процедур блокировки и маркировки.

Прочие вопросы безопасности

Противопожарная защита

Держите поблизости огнетушитель класса C на случай возгорания электрического тока. Перед попыткой тушения электрического пожара необходимо отключить питание.Весь персонал должен быть обучен процедурам противопожарной защиты и эвакуации.

Проблемы с землетрясением

Магниты в сборе могут весить несколько тонн и должны быть закреплены, чтобы они не сдвинулись или опрокинулись во время землетрясения; при их размещении следует учитывать конструкционные стальные опоры. Источники питания также должны быть защищены от движения во время землетрясения.

Акустический шум

Переключение градиентов поля вызывает изменение силы Лоренца, испытываемой градиентными катушками, вызывая незначительные расширения и сжатия катушки.Поскольку переключение обычно происходит в слышимом диапазоне частот, возникающая в результате вибрация вызывает громкие шумы (щелчки, стук или звуковой сигнал). Это наиболее заметно в машинах с сильным полем и методах быстрой визуализации, в которых уровни звукового давления могут достигать 120 дБ (A) (децибелы, взвешенные по шкале А), что эквивалентно реактивному двигателю при взлете; Следовательно, во время обследования всем, кто находится в помещении со сканером МРТ, необходима соответствующая защита органов слуха.

Радиочастота

RF сам по себе не вызывает слышимых шумов (по крайней мере, для людей), поскольку современные системы используют частоты 8.5 МГц (система 0,2 Тл) или выше. ВЧ-мощность, которая может быть произведена, соответствует мощности многих небольших радиостанций (15–20 кВт). В результате присутствуют тепловые эффекты со стороны РФ. В большинстве импульсных последовательностей нагрев незначителен и не превышает рекомендаций Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США.

При использовании ВЧ-катушек существует вероятность поражения электрическим током, поэтому необходимо надлежащее заземление и изоляция катушек. Любое повреждение катушек или их кабелей требует незамедлительного внимания. Прикрепление кабеля к катушке может привести к ожогам любого, кто к ним прикоснется.Лучше избегать любого контакта с кабелями РЧ катушки.

Средства контроля воздействия

Два подхода к контролю воздействия — это использование технических средств контроля (например, экранирование) и административных средств контроля (например, средств индивидуальной защиты).

Средства инженерного контроля

Экранирование

Магнитные поля контролируются с помощью проницаемого сплава, который ограничивает линии магнитного потока и отклоняет их. Магнитное экранирование может быть выполнено с использованием сплавов с высоким содержанием никеля, называемых мю-металлом или мягким железом.Превращение мю-металла в сложный экран стоит дорого, и мю-металл легко повредить. Такое экранирование лучше всего применять рядом с источником поля, когда это возможно. Другой подход заключается в использовании непроницаемых металлов, таких как медь или алюминий, для создания вихревых токов, которые нейтрализуют исходное магнитное поле.

Закалочная защита

Чтобы избежать ситуации гашения, используйте систему датчиков уровня криогенного вещества, чтобы обнаружить гашение и инициировать снижение тока и накопленной магнитной энергии, чтобы предотвратить выгорание проводника.Всегда заправляйте или обесточивайте магнит, если на датчиках указывается низкий уровень криогенного вещества.

Примеры технических средств контроля сверхпроводящих магнитов:

• Установка вентиляционного отверстия для продувки жидким гелием для выхода избыточного газообразного гелия через выхлопное отверстие, выходящее через крышу
• Внутренние датчики для индикации низкого уровня жидкого гелия
• Визуальная и звуковая сигнализация
• Надежный контроль доступа, такой как запертые двери и ограниченный доступ только для уполномоченного персонала

Заземление

Металлические конструкции, вызывающие удары при контакте, должны быть электрически заземлены или изолированы.

Блокировки

Области, где воздействие полей 60 Гц на все тело превышает 25 кВ / м или 1 мТл (10 G), должны быть ограничены положительными средствами, такими как запертые корпуса, блокировки или предохранительные цепи.

Административный контроль

Обозначение участка

Пример линии 5 Гаусс, отмеченной цепочкой

В рамках процесса проектирования статическое магнитное поле в помещении должно быть определено путем измерения или расчетов, если существует опасность для кардиостимулятора (> 5 G) и опасность кинетической энергии (> 30 G).Также необходимо определить места, где может произойти чрезмерное облучение всего тела (> 600 G).

Инструменты и намагничиваемые предметы нельзя хранить в местах, где присутствуют повышенные статические магнитные поля.

Если установлено, что требуется экранирование, следует нанять опытную консалтинговую фирму для разработки экранирования магнитного поля.

Необходимо принять меры для защиты и ограничения доступа пользователей кардиостимуляторов к местам, где магнитные поля всего тела превышают 5 G.Линия 5 G представляет собой разграничение между неконтролируемыми и контролируемыми зонами и должна быть четко обозначена. Для полей с экспозицией менее 5 G никаких настроек или проводки не требуется.

В дополнение к предупреждающим знакам, размещенным на дверных проемах, требуется другой способ обозначения линии 5G вокруг магнита. Например, можно использовать нарисованную линию или ленту, размещенную на полу вокруг магнита, где поле составляет 5 G. Другой пример — цепь, веревка или забор, обозначающий линию 5G вокруг магнита.

Какой бы метод ни использовался, выход из зоны в случае чрезвычайной ситуации не должен блокироваться или предотвращаться.

Предупреждающие знаки

Предупреждающий знак должен быть вывешен у входа в лаборатории или помещения, где магнитные поля превышают любые из указанных выше пределов. Зоны, где существуют потенциальные механические опасности, должны быть четко обозначены. Инструменты, баллоны со сжатым газом и другие изделия из магнитопроницаемого материала не должны находиться в таких местах.

Предупреждающие знаки должны быть вывешены в местах, где напряженность магнитного поля может превышать 0,5 мТл (5 Гс), и / или в местах, где электрические поля 60 Гц превышают 1 кВ / м, что подтверждается измерениями или расчетами, предупреждая людей с кардиостимуляторами или другими медицинскими приборами. электронные имплантаты, чтобы держаться подальше.

Предупреждающие знаки должны быть вывешены там, где электрические поля превышают 5 кВ / м, предупреждая людей о возможности возникновения раздражающих искр.

Люди с кардиостимуляторами не должны находиться в местах, где магнитные поля 60 Гц превышают 0.1 мТл (1 Гс), что подтверждается измерением или расчетом.

Области, где воздействие полей 60 Гц на все тело превышает 25 кВ / м или 1 мТл (10 G), должны быть ограничены положительными средствами, такими как запертые корпуса, блокировки или предохранительные цепи.

Зоны, где магнитные поля превышают 3 мТл, должны быть обследованы, чтобы определить, где существуют потенциальные механические опасности. Люди с металлическими медицинскими имплантатами не должны находиться в местах, где напряженность поля превышает 3 мТл (30 G).

Руководство по использованию предупреждающих знаков

Примеры знаков, предупреждающих об опасности, показаны ниже.

Оборудование, которое может создавать электрические поля с частотой 60 Гц выше 2,5 кВ / м или магнитные поля выше 0,1 мТл (1 G), должно иметь маркировку или предупреждающий знак.

Примеры этикеток показаны ниже.

Световой сигнализатор с подсветкой

Некоторые электромагниты обозначаются красной мигающей сигнальной лампой, которая загорается, когда на магнит подано напряжение. Магниты, создающие сильное статическое магнитное поле, обычно обесточиваются, когда может произойти облучение персонала (т.например, во время длительных простоев, связанных с работой акселератора).

Личная защитная одежда

При работе с криогенами надевайте изолирующие перчатки и маску для лица или другие средства защиты глаз / лица от брызг, обувь с закрытыми носками и лабораторные халаты.

Изоляционная одежда и оборудование должны использоваться в зонах, где электрические поля 60 Гц превышают 5 кВ / м, как показывают измерения или вычисления. Изолирующие перчатки или, предпочтительно, специальные средства управления (например, кожух или экранирование источника поля) должны использоваться, чтобы избежать контакта с объектами, которые могут подвергнуть персонал воздействию искр, связанных с напряженностью поля, превышающей или равной 5 кВ / м.

Список литературы

1. 10 CFR 851 Безопасность и здоровье работников — Министерство энергетики, § 851.23 Стандарты безопасности и здоровья.
2. TLV и BEI Американской конференции государственных специалистов по промышленной гигиене (ACGIH) — 2016 , включенные посредством ссылки 10 CFR 851 Безопасность и здоровье рабочих — Министерство энергетики, §851.27.
3. TLV и BEI ACGIH — 2012.
4. Руководство ICNIRP по пределам воздействия статических магнитных полей .Физика здоровья, Vol. 96 (4): 504-514. 2009.
5. Руководство ICNIRP по ограничению воздействия электрических полей, вызванных движением человеческого тела в статическом магнитном поле и изменяющимися во времени магнитными полями ниже 1 Гц. Health Physics, Vol. 106 (3): 418-425. 2014.
6. Plogg, H., and Miller, G. Основы промышленной гигиены . Четвертое издание, глава 11: Неионизирующее излучение. 2001.
7. Временные рекомендации IPRA по предельным значениям воздействия электрических и магнитных полей 50/60 Гц .Физика здоровья, Vol. 58 (1): 113-122. 1990.

15.2: Индукторы и вычисления — Workforce LibreTexts

Индукторы не обладают стабильным «сопротивлением», как проводники. Однако существует определенная математическая зависимость между напряжением и током для катушки индуктивности, а именно:

Вы должны узнать форму этого уравнения из главы о конденсаторах. Он связывает одну переменную (в данном случае падение напряжения на катушке индуктивности) со скоростью изменения другой переменной (в данном случае — тока катушки индуктивности).И напряжение (v), и скорость изменения тока (di / dt) равны мгновенному значению : то есть по отношению к определенному моменту времени, то есть строчным буквам «v» и «i». Как и в случае с формулой конденсатора, принято выражать мгновенное напряжение как v , а не e , но использование последнего обозначения не будет неправильным. Текущая скорость изменения (di / dt) выражается в единицах ампер в секунду, положительное число представляет увеличение, а отрицательное число — уменьшение.

Как и конденсатор, поведение катушки индуктивности зависит от времени. Помимо любого сопротивления, присущего катушке индуктора (которое мы будем считать равным нулю для этого раздела), падение напряжения на выводах катушки индуктивности напрямую связано с тем, насколько быстро его ток изменяется с течением времени.

Предположим, мы должны были подключить идеальную катушку индуктивности (с нулевым сопротивлением провода) к цепи, где мы могли бы изменять количество тока через нее с помощью потенциометра, подключенного как переменный резистор:

Если механизм потенциометра остается в одном положении (стеклоочиститель неподвижен), последовательно подключенный амперметр будет регистрировать постоянный (неизменный) ток, а вольтметр, подключенный к катушке индуктивности, будет регистрировать 0 вольт.В этом сценарии мгновенная скорость изменения тока (di / dt) равна нулю, потому что ток стабилен. Уравнение говорит нам, что при изменении di / dt на 0 ампер в секунду должно быть нулевое мгновенное напряжение (v) на катушке индуктивности. С физической точки зрения, без изменения тока, индуктор будет создавать постоянное магнитное поле. Без изменения магнитного потока (dΦ / dt = 0 Веберса в секунду) не будет падения напряжения по длине катушки из-за индукции.

Если медленно перемещать стеклоочиститель потенциометра в направлении «вверх», его сопротивление от конца до конца будет медленно уменьшаться. Это приводит к увеличению тока в цепи, поэтому показание амперметра должно увеличиваться медленно:

Предполагая, что стеклоочиститель потенциометра перемещается так, что скорость увеличения тока через индуктор является постоянной, член di / dt формулы будет фиксированным значением. Это фиксированное значение, умноженное на индуктивность индуктора в Генри (также фиксированное), дает фиксированное напряжение некоторой величины.С физической точки зрения постепенное увеличение тока приводит к увеличению магнитного поля. Это постепенное увеличение магнитного потока вызывает индуцирование напряжения в катушке, как выражено уравнением индукции Майкла Фарадея: e = N (dΦ / dt). Это самоиндуцированное напряжение на катушке в результате постепенного изменения величины тока через катушку имеет полярность, которая пытается противодействовать изменению тока. Другими словами, наведенная полярность напряжения, возникающая в результате увеличения на тока, будет ориентирована таким образом, чтобы подтолкнуть к направлению тока, чтобы попытаться сохранить ток на прежнем уровне.Это явление демонстрирует более общий принцип физики, известный как Закон Ленца , который гласит, что индуцированный эффект всегда будет противоположен причине, его вызывающей.

В этом сценарии катушка индуктивности будет действовать как нагрузка с отрицательной стороной индуцированного напряжения на том конце, куда входят электроны, и положительной стороной индуцированного напряжения на конце, где электроны выходят.

Изменение скорости увеличения тока через катушку индуктивности путем перемещения скребка потенциометра «вверх» с разными скоростями приводит к разному падению напряжения на катушке индуктивности, причем все с одинаковой полярностью (противодействуя увеличению тока):

Здесь мы снова видим функцию исчисления , производную , проявляющуюся в поведении катушки индуктивности.В терминах расчетов мы бы сказали, что индуцированное напряжение на катушке индуктивности является производной тока, протекающего через катушку индуктивности, то есть пропорционально скорости изменения тока во времени.

Изменение направления движения стеклоочистителя на противоположное на потенциометре («вниз», а не «вверх») приведет к увеличению его сквозного сопротивления. Это приведет к уменьшению тока цепи ( отрицательное значение для di / dt). Катушка индуктивности, всегда противодействуя любому изменению тока, вызывает падение напряжения, противоположное направлению изменения:

Сколько напряжения будет производить индуктор, конечно, зависит от того, насколько быстро уменьшается ток через него.Согласно закону Ленца, индуцированное напряжение будет противоположно изменению тока. При уменьшении тока на полярность напряжения будет ориентирована так, чтобы попытаться сохранить ток на прежнем уровне. В этом сценарии индуктор будет действовать как источник , с отрицательной стороной индуцированного напряжения на том конце, где выходят электроны, и положительной стороной индуцированного напряжения на том конце, где электроны входят. Чем быстрее снижается ток, тем большее напряжение будет вырабатывать индуктор, высвобождая накопленную энергию, чтобы поддерживать постоянный ток.

Опять же, величина напряжения на идеальной катушке индуктивности прямо пропорциональна скорости изменения тока через нее. Единственная разница между эффектами уменьшающегося тока и увеличивающегося тока — это полярность , индуцированного напряжения. При одинаковой скорости изменения тока с течением времени, увеличения или уменьшения, величина напряжения (вольт) будет одинаковой. Например, di / dt, равное -2 ампера в секунду, будет производить такое же количество индуцированного падения напряжения на катушке индуктивности, как di / dt, равное +2 ампера в секунду, только в противоположной полярности.

Если ток через катушку индуктивности изменяется очень быстро, будут возникать очень высокие напряжения. Рассмотрим следующую схему:

В этой схеме лампа подключена к клеммам индуктора. Переключатель используется для управления током в цепи, а питание подается от батареи на 6 вольт. Когда переключатель замкнут, катушка индуктивности на короткое время будет препятствовать изменению тока от нуля до некоторой величины, но снизит лишь небольшое количество напряжения.Для ионизации неонового газа внутри такой неоновой лампы требуется около 70 вольт, поэтому лампочка не может быть зажжена от 6 вольт, вырабатываемых батареей, или низкого напряжения, мгновенно падающего на индукторе, когда переключатель замкнут:

Когда переключатель разомкнут, он внезапно вызывает в цепи чрезвычайно высокое сопротивление (сопротивление воздушного зазора между контактами). Это внезапное появление высокого сопротивления в цепи вызывает почти мгновенное уменьшение тока в цепи.Математически член di / dt будет очень большим отрицательным числом. Такое быстрое изменение тока (от некоторой величины до нуля за очень короткое время) вызовет очень высокое напряжение на катушке индуктивности, ориентированное отрицательным слева и положительным справа, в попытке противодействовать этому уменьшению тока. Произведенного напряжения обычно более чем достаточно, чтобы зажечь неоновую лампу, хотя бы на короткое время, пока ток не упадет до нуля:

Для достижения максимального эффекта размер катушки индуктивности должен быть как можно большим (не менее 1 Генри индуктивности).

Движение и взаимодействие магнитных дислокаций в переменном магнитном поле

Сначала, аналогично случаю краевых дислокаций в кристаллической решетке, мы вводим понятия ядра МД и вектора Бюргерса МД. Мы определяем ядро ​​MD как область, связанную с концом укороченной области. Внутри этой области доменные стенки изогнуты, и их энергия отличается от энергии прямых доменных стенок. Вектор Бюргерса \ (\ overrightarrow {b} \) используется аналогично ¹² (подробности см. В разделе «Методы»).

В диапазоне сравнительно низких частот (25–1200 Гц) переменного магнитного поля наблюдается дрейф ДГ, т. Е. Система полосовых доменов движется как единое целое в направлении, перпендикулярном плоскостям ДГ ^{9, 10} . В данной работе мы изучаем не сам дрейф ДН, а зарождение, движение и взаимодействие ДН.

В исследуемом диапазоне частот ДН зарождались в трех центрах, расположенных, как показано на рис. 1. Прямые наблюдения показали, что локальные участки образца, где зарождаются ДН, имеют поперечные размеры (длину и ширину) порядка единиц полосы. Периоды DS.Стрелками на рис. 1 показаны наиболее часто наблюдаемые траектории движения ДН. На вставке показано обозначение вектора Бюргерса для МД. Магнитные дислокации движутся через полосовую ДС как параллельно, так и перпендикулярно ДГ, и в большинстве случаев они имеют компоненты скорости в обоих указанных направлениях.

Рисунок 1

Центры зарождения магнитных дислокаций. Области образования магнитных дислокаций обведены кружком. Цветными стрелками показаны наиболее часто наблюдаемые траектории движения магнитных дислокаций, зарождающихся в соответствующих центрах.Белая стрелка указывает направление сноса доменных стенок. На вставке — пример магнитной дислокации и ее вектора Бюргерса.

Наблюдения показали следующее:

1. 1.

   Скорость движения ДВ может на порядок превышать скорость дрейфа ДВ. Обе скорости определяются амплитудой и частотой поля.

2. 2.

   Деятельность центров I _MD (количество ДН, зародившихся в определенном центре зародышеобразования за одну секунду) зависит от H ₀ и f . Максимальное общее количество зародышей ДН во всех центрах зародышеобразования измерено при частоте 900 Гц и составляет I . _МДС = 316 MD в секунду.

3. 3.

   Обнаружено взаимодействие МД между собой и с полосовыми доменами исходного ЦС. В данной статье будут рассмотрены только следующие простейшие сценарии поведения МД:

1. а)

   Магнитная дислокация движется через систему полосовых доменов, и две магнитные дислокации проходят друг через друга, двигаясь в противоположных направлениях;

2. б)

   Два МД, движущиеся навстречу друг другу, аннигилируют;

3. в)

   Одна магнитная дислокация обгоняет другую, пока они движутся в одном направлении.

Далее мы подробно рассмотрим эти простейшие сценарии поведения МД.

Движение одиночной магнитной дислокации через систему полосовых доменов

Наблюдаемое движение одиночной ДН, возникающее под действием переменного магнитного поля, направленного вдоль доменных границ, показано на рис. 2. Экспериментальные изображения (рис. 2 (1–5)) и их схематические интерпретации (рис.2 (а – д)). В исходном состоянии имеется «темная» дислокация (рис. 2 (1, а)), намагниченная «в плоскость рисунка». Затем свободный конец укороченного «темного» домена вытягивается, образуя узкую перемычку (рис. 2 (2, б)), и соединяется с темным полосатым доменом справа, образуя «яркую» магнитную дислокацию (рис. 2 (3, в)), которая намагничивается «наружу от плоскости рисунка». Затем свободный конец укороченного «светлого» домена соединяется с ярким полосковым доменом справа.Последнее происходит за счет растяжения свободного конца яркого короткого домена (рис. 2 (4, г)). Таким образом, одиночная темная дислокация оказывается сдвинутой на один период полосовой ДС (см. Рис. 2 (1, а) и рис. 2 (5, д)). Описанный выше процесс повторяется, и MD перемещается слева направо.

Рисунок 2

Одиночная магнитная дислокация движется через систему полосовых доменов. Процесс происходит в переменном магнитном поле, ориентированном вдоль доменных границ в плоскости образца.Амплитуда переменного поля H ₀ = 80 Э, а частота f = 200 Гц. Время между кадрами равно ( 1 — 2 ) 2, ( 2 — 3 ) 28, ( 3 — 4 ) 5 и ( 4 — 5 ) 5 мс. .

Таким образом, наблюдения показали, что одиночная магнитная дислокация в переменном магнитном поле движется по полосовой ДС, последовательно взаимодействуя со всеми магнитными доменами, с которыми она сталкивается на своем пути.Очень важной особенностью этого взаимодействия является периодическая переориентация вектора намагниченности ДН.

Процессы взаимодействия магнитных дислокаций

Кроме взаимодействия ДН с полосковыми доменами исходной ДС, обнаружено также их (ДН) взаимодействие друг с другом. Рассмотрим наблюдаемые сценарии взаимодействия ДН.

На рисунках 3 и 4 показаны сценарии взаимодействий между ДН, которые наблюдаются в случае, когда векторы Бюргерса двух ДН выровнены в противоположных направлениях.Пример взаимодействия двух ДН в случае, когда их векторы Бюргерса выровнены в одном направлении, показан на рис. 5.

Рис. 3

Две магнитные дислокации, движущиеся навстречу друг другу. Векторы Бюргерса \ (\ overrightarrow {b} \) магнитных дислокаций ориентированы в противоположных направлениях. ( a — f ) Экспериментальные магнитооптические изображения доменной структуры образца железного граната в переменном магнитном поле. Частота переменного поля f = 60 Гц, амплитуда H . ₀ = 106 э.Векторы Бюргерса магнитных дислокаций показаны в ( a , f ). Сердцевины магнитных дислокаций обведены кружком ( b — e ). Время между кадрами равно ( a — b ) 40, ( b — c ) 20, ( c — d , d — e и e — f ) 10 мс.

Рисунок 4

Две магнитные дислокации, движущиеся навстречу друг другу, и их аннигиляция.Частота переменного тока поля f = 200 Гц. ( 1 — 4 ) Экспериментальные магнитооптические изображения доменной структуры. Положения магнитных дислокаций MD I и MD II по оси X и их тип (черный / белый) указаны в верхней части рисунка. Время между кадрами равно 10 мс. ( A , B , C , D ) Схематическое изображение соответствующих состояний доменной структуры. ( a , c ) Предполагаемые промежуточные состояния между кадрами ( 1 , 2 ) и ( 3 , 4 ) на основе наблюдений соответственно.

Рисунок 5

Одна магнитная дислокация обгоняет другую. ( 1 — 4 ) Экспериментальные магнитооптические изображения доменной структуры. ( a — d ) Схематическое изображение соответствующих состояний доменной структуры. Положения магнитных дислокаций MD I и MD II по оси X и их тип (черный / белый) указаны в верхней части рисунка. Векторы Бюргерса магнитных дислокаций показаны в ( a ).

Набор кадров на рис. 3 иллюстрирует реально наблюдаемое последовательное движение двух MD навстречу друг другу в переменном магнитном поле ( f = 60 Гц, H ₀ = 106 э). Вводится система координат ( X — Y ), привязанная к образцу. Ось Y направлена ​​вдоль оси \ (\ mathrm {[2} \ bar {1} \ bar {1}] \), которая имеет среднюю ориентацию DW. Отслеживается движение двух дислокаций (см. Рис.3). Ядра двух MD обведены в экспериментальных кадрах и помечены как MD I и MD II возле вершин укороченных доменов на дополнительном рисунке 1S. Для исходных координат Y МД Y _I > Y _II . Те же элементарные акты взаимодействия между ДН и полосовыми доменами, которые были описаны выше для одиночной дислокации, происходят здесь, когда две ДН движутся навстречу друг другу.Мы лишь отметим положение двух рассматриваемых ДН для последовательных моментов времени, не повторяя подробное описание этих элементарных актов взаимодействия.

Рамки a – f показывают взаимное расположение магнитных дислокаций в последовательные моменты времени. Время между соседними кадрами кратно t = 0,01 секунды. На схемах A – F на рис. 3 показаны конфигурации доменов в кадрах a – f соответственно. Схемы, которые более подробно иллюстрируют наблюдаемые трансформации ДС, представлены на дополнительном рис.1С. Как показано, расстояние между дислокациями уменьшается со временем по мере их движения друг к другу следующим образом.

1. 1.

   В начале (рис. 3 (а)) мы выделяем две («темные») магнитные дислокации, MD I и MD II, т.е. дислокации, намагниченность которых направлена ​​вдоль — \ (\ overrightarrow {n} \).

2. 2.

   Через t = 0,04 секунды MD I стал «ярким», т.е. его намагниченность переориентировалась и теперь направлена ​​по \ (\ overrightarrow {n} \). МД II сместился влево и остался «темным» (рис. 3, б).

3. 3.

   После t = 0,02 секунды, MD I будет «ярким», а MD II — «темным» (рис.3 (в)).

4. 4.

   После t = 0,01 секунды, MD I и MD II оба «темные» (рис. 3 (d)). В этом состоянии координаты X двух магнитных дислокаций равны, а их намагниченность направлена ​​вдоль — \ (\ overrightarrow {n} \).

5. 5.

   Через t = 0,01 секунды, как показано на рис. 3 (e), магнитные дислокации «разваливаются». И MD I, и MD II «яркие».

6. 6.

   После t = 0,01 секунды расстояние между дислокациями увеличивается. Как показано на рис. 3 (f), MDI — «темный», а MD II — «яркий». Между ними есть два полосовых домена (противоположных «цветов»).

Мы интерпретируем это наблюдаемое движение ДН как два проходящих друг через друга ДН (сравните Рис. 3 (b) и (f)).

Рассмотрим другой процесс, в котором две MD с противоположно выровненными векторами Бюргерса движутся навстречу друг другу, но в отличие от предыдущего случая, начальные координаты Y MD I и MD II равны ( Y _I ≈ Y _II ).Этот процесс и его более четкое схематическое изображение показаны на рис. 4. Как показано на этом рисунке, две изначально темные дислокации движутся навстречу друг другу и аннигилируют. В результате появляется регулярная полосчатая структура (рис. 4 (D)). Здесь элементарные акты взаимодействия ДН с полосковыми доменами такие же, как и при рассмотрении движения одиночного ДН. Поэтому мы не будем описывать рис. 4 так подробно.

Противоположная ориентация векторов Бюргерса двух ДН является необходимым, но не достаточным условием их аннигиляции.Чтобы аннигилировать, два ДН должны сблизиться настолько, чтобы взаимодействие искажений ДГ в их сердцевинах вызвало их взаимное притяжение, опосредованное магнитостатикой.

Кадры, представленные на рис. 5 (1–4) иллюстрируют случай взаимодействия двух ДН с их одинаково ориентированными векторами Бюргерса \ (\ overrightarrow {b} \). Сравнение кадров 1 и 3 на рис. 5 показывает, что MD II обгоняет MD I. Вследствие аналогичной ориентации \ (\ overrightarrow {b} {\ rm {s}} \) аннигиляция невозможна.

Количественные параметры магнитных дислокаций

Наблюдения показывают, что ДН являются динамическими образованиями. Мы вводим ряд количественных параметров для их описания (см. Раздел «Методы»).

Амплитудно-частотные зависимости количественных параметров В _др , В _MD и I _МДС показаны на схемах рис.6 (а – в). Для полей активации центров нуклеации 1, 2 и 3 и амплитуды начала дрейфа H _сдр , на протяжении всего исследования сохранялась следующая связь: H _с (1) ≈ H _с (2) < H _сдр < H _с (3), п.т.е. центры № 1 и 2 активируются практически одновременно; при более высоких амплитудах начинается дрейф ДГ; и на H _с (3), центр № 3 активирован.

Рисунок 6

Зависимости количественных параметров магнитной дислокации от частоты и амплитуды поля накачки. ( a — c ) Амплитудно-частотные диаграммы скорости дрейфа полосковых доменов V _др , средняя скорость магнитных дислокаций V _MD и суммарная активность центров зарождения магнитных дислокаций I _МДС , соответственно.Поверхности на диаграммах представляют собой полиномиальные аппроксимации второго порядка точек экспериментальных данных, которые показаны цветными маркерами (закрашенными кружками). Наложенные графики представляют собой частотные зависимости амплитуд, при которых начинается дрейф H _сдр и соответствующие центры зародышеобразования активированы H _с .( d , e ) Зависимости от амплитуды поля накачки ( f = 500 Гц): ( d ) –активности центров зарождения магнитных дислокаций ( I _{MD 1-3} ), ( e ) –нет (суммарная) активность центров зарождения магнитных дислокаций №1–3. I _{MD 1} поднимается и достигает максимального значения 44 MD / с при H ₀ = 110 Э (кривая 1).При этом модуль активности центра № 2 снижается и достигает минимального значения 32 дд / с при H . ₀ = 110 Э (кривая 2).

В _др , показанный на рис. 6 (а), увеличивается по сравнению с H ₀ . Особенно сильный рост наблюдается у H . ₀ > H _с (3). В _MD , показанный на рис. 6 (b), демонстрирует практически линейное увеличение как по амплитуде, так и по частоте. Отметим, что скорости движения МД в несколько раз превышают скорости дрейфа (в 4,2 раза для максимальных значений В _MD и В _др ). I _МДС , показанный на рис. 6 (c), остается практически постоянным между H _с (2) и H _с (3) и начинает увеличиваться при H _с (3) одновременно с увеличением В _др .

Рассмотрим подробнее деятельность центров зародышеобразования. Направление движения ДН от центров № 1 и 3 такое же, как направление сноса ДГ (см. Рис. 1), а направление движения ДН от центра № 2 противоположно направлению сноса.

Для частоты f = 500 Гц действия I _MD центров зародышеобразования МД, результаты представлены на рис.6 (г, д). Центры № 1 и 2 компенсируют друг друга до амплитуды поля H . ₀ = 110 Э (кривые 1 и 2 на рис. 6, г). В H ₀ = 110 э, центр № 3 активирован (кривая 3 на рис. 6 (г)). В H ₀ > 110 э, общее количество зародышей ДН в образце за одну секунду резко возрастает (кривая 4 на рис. 6 (д)).

Отметим, что скорость дрейфа ДВ значительно увеличивается, начиная примерно с H ₀ = 110 Э (рис.6 (а)). Для этой частоты значение скорости дрейфа ДГ выходит на насыщение при дальнейшем увеличении H ₀ . Этот результат можно объяснить балансом между доменами, которые образовались и вышли из кристалла.

Ручная дуговая сварка металла (MMA, SMAW или ручная сварка)

Ручная дуговая сварка металлом была впервые изобретена в России в 1888 году. В ней использовался металлический стержень без покрытия, обеспечивающий защиту от газа. Разработка электродов с покрытием не происходила до начала 1900-х годов, когда в Швеции был изобретен процесс Кьельберга, а в Великобритании — квазидуговой метод.Следует отметить, что применение электродов с покрытием было медленным из-за их высокой стоимости. Однако было неизбежно, что по мере роста спроса на качественные сварные швы ручная металлическая дуга стала синонимом покрытых электродов. Когда между металлическим стержнем (электродом) и заготовкой возникает дуга, стержень и поверхность заготовки плавятся, образуя сварочную ванну из расплавленного металла. Одновременное плавление флюсового покрытия на стержне приводит к образованию газа и шлака, которые защищают сварочную ванну от окружающей атмосферы.Шлак затвердеет и остынет, и его необходимо удалить с валика сварного шва после завершения сварочного цикла (или перед нанесением следующего сварочного прохода).

Этот процесс позволяет выполнять сварку только коротких отрезков перед тем, как новый электрод нужно будет вставить в держатель сварочного электрода. Глубина проплавления низка, а качество готовой наплавки во многом зависит от квалификации сварщика.

Типы флюсов / электродов

Для зажигания дуги между электродом и основным металлом, например углеродистой сталью, и для получения сварного шва хорошего качества, сварщик должен убедиться, что его сварочные аппараты оснащены подходящими электродами.На стабильность дуги, глубину проникновения, скорость осаждения металла и возможность позиционирования сильно влияет химический состав флюсового покрытия на электроде. Электроды можно разделить на три основные группы:

Электроды из целлюлозы содержат большое количество целлюлозы в покрытии и характеризуются глубоко проникающей дугой и высокой скоростью выгорания, что обеспечивает высокую скорость сварки. Наплавленный металл может быть крупным, а удаление шлака жидким шлаком может быть затруднено.Эти электроды просты в использовании в любом положении и известны тем, что используются в технике сварки «дымоход».

Характеристики:

• глубокое проникновение во все позиции
• пригоден для сварки снизу вверх
• относительно хорошие механические свойства
• Высокий уровень образования водорода — риск растрескивания в зоне термического влияния (HAZ)

Электроды с рутиловым покрытием содержат большое количество оксида титана (рутила) в покрытии.Оксид титана способствует легкому зажиганию дуги, плавному срабатыванию дуги и малому разбрызгиванию. Эти электроды представляют собой электроды общего назначения с хорошими сварочными свойствами. Их можно использовать с источниками питания переменного и постоянного тока и во всех положениях. Электроды особенно подходят для сварки угловых швов в горизонтальном / вертикальном (H / V) положении.

Характеристики:

• умеренные механические свойства металла сварного шва, такие как прочность на разрыв
• Хороший профиль валика за счет вязкого шлака
• Возможна позиционная сварка жидким шлаком (содержащим фторид)
• легкосъемный шлак

Основные электроды содержат большое количество карбоната кальция (известняк) и фторида кальция (плавиковый шпат) в покрытии.Это делает их шлаковое покрытие более текучим, чем рутиловое покрытие — оно также быстро замерзает, что способствует сварке в вертикальном и верхнем положении. Эти электроды используются для сварки изделий среднего и тяжелого сечения, где требуется более высокое качество сварки, хорошие механические свойства и устойчивость к растрескиванию (из-за высокой прочности).

Характеристики:

• Металл шва с низким содержанием водорода
• требует больших сварочных токов / скоростей
• плохой профиль валика (выпуклый и грубый профиль поверхности)
• Удаление шлака затруднено

Электроды из металлического порошка содержат добавку металлического порошка во флюсовое покрытие для увеличения максимально допустимого уровня сварочного тока.Таким образом, для данного размера электрода скорость осаждения металла и эффективность (процент нанесенного металла) увеличиваются по сравнению с электродом, не содержащим порошка железа в покрытии. Шлак обычно легко удаляется. Электроды из железного порошка в основном используются в плоском и горизонтальном / вертикальном положениях, чтобы использовать преимущества более высоких скоростей наплавки. Эффективность от 130 до 140% может быть достигнута для рутиловых и основных электродов без заметного ухудшения характеристик искрения, но дуга имеет тенденцию быть менее сильной, что снижает проникновение валика.

Источник питания

Электроды могут работать от источников питания переменного и постоянного тока. Не все электроды постоянного тока могут работать от источников переменного тока, однако электроды переменного тока могут использоваться как на переменном, так и на постоянном токе.

Сварочный ток

Уровень сварочного тока определяется размером электрода — нормальный рабочий диапазон и ток рекомендуются производителями. Типичные рабочие диапазоны для выбора размеров электродов показаны в таблице. Как показывает практика, при выборе подходящего уровня тока для электрода потребуется около 40 А на миллиметр (диаметр).Следовательно, предпочтительный уровень тока для электрода диаметром 4 мм будет 160 А, но приемлемый рабочий диапазон — от 140 до 180 А.

Что нового

Транзисторная (инверторная) технология теперь позволяет производить очень маленькие и сравнительно легкие источники питания. Эти источники питания находят все более широкое применение для сварочных работ на стройплощадках, где их можно легко переносить с работы на работу. Поскольку они имеют электронное управление, доступны дополнительные устройства для сварки TIG и MIG, которые увеличивают гибкость.Электроды теперь доступны в герметичных контейнерах. Эти вакуумные упаковки избавляют от необходимости обжигать электроды непосредственно перед использованием. Однако, если контейнер был открыт или поврежден, важно, чтобы электроды были повторно высушены в соответствии с инструкциями производителя.

Обучение

Школа обучения TWI предлагает ознакомительный курс по сварке стержневыми электродами. Сюда входят теоретические и практические занятия, примерно 75% которых составляют демонстрационные и практические занятия; понимание сварочных процессов и фундаментальные базовые знания.Здоровье и безопасность, настройка оборудования, параметры сварочного процесса, дефекты, связанные с процессом, и способы их предотвращения, сварочные материалы.

Для получения дополнительной информации щелкните здесь.

Запросы

Для получения дополнительной информации о сварке стержневыми электродами и технических вопросов, пожалуйста, свяжитесь с нами.

Электромагнетизм — H поле Vs B Поле внутри магнита

Есть два основных уравнения для рассмотрения статических магнитных полей в веществе (в дальнейшем предполагается, что $ \ mathbf {J} = 0 $).Первый — $ \ mathrm {div} \ mathbf {B} = 0 $, что по сути означает, что плотность магнитного потока $ \ mathbf {B} $ не имеет источников и $ \ mathbf {H} = \ mathbf {B} -4 \ pi \ mathbf {M} $ (здесь используются cgs-единицы), который определяет $ \ mathbf {H} $, называемое магнитным полем, и, наконец, $ \ mathbf {M} $ намагничивание. $ \ mathbf {H} $ следует рассматривать как вспомогательное поле, поскольку оно не является фундаментальным, как $ \ mathbf {B} $. На самом деле это важно только тогда, когда в игру вступает намагниченный материал (он также часто используется в законе Ампера, но поскольку он может быть заменен там на $ \ mathbf {B} $, он теряет свою важность).$ \ mathbf {H} $ «отчасти» основан на намагничивании, которое является новым явлением, поэтому обе величины не являются фундаментальными, тогда как $ \ mathbf {B} $ — фундаментальными. Итак, $ \ mathbf {H} $ не соответствует изображению — мы часто его имеем в виду — не имеющему источника. $ \ mathbf {H} $ имеет источники, тогда как плотность магнитного потока $ \ mathbf {B} $ не имеет источников. Это было введение.

А теперь формальная работа. Мы будем использовать $ \ mathrm {div} \ mathbf {B} = 0 $ в $ \ mathbf {H} = \ mathbf {B} -4 \ pi \ mathbf {M} $:

$$ \ mathrm {div} \ mathbf {H} = \ mathrm {div} \ mathbf {B} -4 \ pi \ mathrm {div} \ mathbf {M} = -4 \ pi \ mathrm {div} \ mathbf {M} $$.

Единственное место, где намагниченность значительно изменяется, — это край магнита, тогда как внутри магнита мы предполагаем, что оно постоянное. Кроме того, давайте рассмотрим аналогию электрического поля, которое удовлетворяет следующему уравнению:

$$ \ mathrm {div} \ mathbf {E} = 4 \ pi \ rho $$

где $ \ rho $ — плотность электрического заряда. Сравнивая уравнение магнитного поля с уравнением электрического поля, мы видим, что изменение намагниченности $ \ mathrm {div} \ mathbf {M} $ служит источником магнитного поля $ \ mathbf {H} $.Следует иметь в виду, что оба конца магнита можно рассматривать как источники магнитного поля $ \ mathbf {H} $, поскольку заряды являются источниками электрического поля $ \ mathbf {E} $. Теперь обозначение величины $ \ mathbf {H} $ как «магнитное поле» более понятно: оно ведет себя как электрическое поле (с источниками). Однако свойство замкнутых силовых линий сохраняется за плотностью магнитного потока $ \ mathbf {B} $.

Кстати, намагниченность зависит только от приложенного внешнего поля $ \ mathbf {H} $.Ферромагнитный материал имеет остаточную намагниченность, отличную от нуля даже без внешнего поля $ \ mathbf {H} $, что и должно быть здесь рассмотрено. Таким образом, в этом случае $ \ mathbf {M} $ можно считать независимым от $ \ mathbf {H} $.

Резюме: Источником $ \ mathbf {H} $ является изменение намагниченности $ — \ mathrm {div} \ mathbf {M} $, тогда как плотность магнитного потока $ \ mathbf {B} $ не имеет источников. $ 4 \ pi \ mathbf {M} $ и $ \ mathbf {H} $ складываются, чтобы получить $ \ mathbf {B} $. В магнитостатике $ \ mathbf {H} $ ведет себя аналогично электрическому полю в электростатике.Ситуация немного усложняется, когда приходят токи, но сейчас это не вопрос.

.