المحاثات والمجالات المغناطيسية

بعد القصة على استخدام المكثفات سيكون من المنطقي التحدث عن ممثل آخر للإشعاعات السلبية - المحاثات. لكن القصة عنهم يجب أن تبدأ من بعيد ، لتتذكر وجود مجال مغناطيسي ، لأنه الحقل المغنطيسي الذي يحيط باللفات ويخترقها ، إنه في الحقل المغنطيسي ، بالتناوب في أغلب الأحيان ، يعمل الملف. باختصار ، هذا موطنهم.

المغناطيسية كخاصية للمادة

تعتبر المغناطيسية واحدة من أهم خصائص المادة ، وكذلك ، على سبيل المثال ، الكتلة أو الحقل الكهربائي. ومع ذلك ، فإن ظواهر المغناطيسية ، مثل الكهرباء ، كانت معروفة منذ زمن طويل ، وعندها فقط لم يستطع العلم تفسير جوهر هذه الظواهر. سميت ظاهرة غير مفهومة "المغناطيسية" باسم مدينة ماغنيسيا ، التي كانت في آسيا الصغرى. كان من خام الملغومة القريبة التي تم الحصول عليها المغناطيس الدائم.

لكن المغناطيس الدائم في إطار هذه المقالة ليست مثيرة للاهتمام بشكل خاص. بمجرد أن وعدنا بالحديث عن المحاثات ، سوف نتحدث على الأرجح عن الكهرومغناطيسية ، لأنه أبعد ما يكون عن السرّ أنه حتى حول سلك به تيار يوجد مجال مغناطيسي.

في الظروف الحديثة ، من السهل جدًا دراسة ظاهرة المغناطيسية في المستوى الأولي ، على الأقل. للقيام بذلك ، تحتاج إلى تجميع دائرة كهربائية بسيطة من بطارية ومصباح لمصباح كهربائي. كمؤشر على المجال المغناطيسي واتجاهه وشدته ، يمكنك استخدام البوصلة المعتادة.

المجال المغناطيسي العاصمة

كما تعلمون ، تظهر البوصلة الاتجاه إلى الشمال. إذا وضعت الأسلاك من أبسط الدوائر المذكورة أعلاه وقمت بتشغيل الضوء ، فإن إبرة البوصلة سوف تنحرف إلى حد ما عن وضعها الطبيعي.

من خلال توصيل لمبة أخرى على التوازي ، يمكنك مضاعفة التيار في الدائرة ، مما يجعل زاوية دوران السهم تزيد قليلاً. هذا يشير إلى أن المجال المغناطيسي للسلك مع التيار أصبح أكبر. وعلى هذا المبدأ تعمل أدوات قياس السهم.

إذا تم عكس قطبية تشغيل البطارية ، فستتحول إبرة البوصلة إلى الطرف الآخر - يتغير اتجاه المجال المغناطيسي في الأسلاك أيضًا في الاتجاه. عند إيقاف تشغيل الدائرة ، ستعود إبرة البوصلة إلى موقعها الصحيح. لا يوجد تيار في الملف ، ولا يوجد مجال مغناطيسي.

في كل هذه التجارب ، تلعب البوصلة دور الإبرة المغناطيسية للاختبار ، تمامًا كما يتم إجراء دراسة لمجال كهربائي ثابت بواسطة شحنة كهربائية اختبار.

بناءً على أبسط هذه التجارب ، يمكننا أن نستنتج أن المغناطيسية ولدت بسبب التيار الكهربائي: كلما كان هذا التيار أقوى ، زادت الخصائص المغناطيسية للموصل. ثم من أين يأتي الحقل المغناطيسي للمغناطيس الدائم ، حيث لا يوجد أحد يربط البطارية بالأسلاك؟

أثبت البحث العلمي الأساسي أن المغناطيسية الدائمة تعتمد على الظواهر الكهربائية: كل إلكترون في مجاله الكهربائي وله خصائص مغنطيسية أولية. فقط في معظم المواد يتم تحييد هذه الخواص بشكل متبادل ، ولسبب ما ، لسبب ما ، تشكل مغناطيسًا كبيرًا واحدًا.

بالطبع ، في الواقع ، ليس كل شيء بدائيًا وبسيطًا للغاية ، ولكن بشكل عام ، حتى المغناطيس الدائم له خصائصه الرائعة بسبب حركة الشحنات الكهربائية.

وأي نوع من الخطوط المغناطيسية هم؟

خطوط مغناطيسية يمكن رؤيتها بصريا. في تجربة المدرسة ، في دروس الفيزياء ، يتم صب الإيداعات المعدنية على ورقة من الورق المقوى ، ويتم وضع المغناطيس الدائم أدناه. التنصت على ورقة من الورق المقوى يمكن أن يحقق الصورة الموضحة في الشكل 1.

الشكل 1

من السهل أن نرى أن خطوط القوة المغناطيسية تغادر القطب الشمالي وتدخل الجنوب ، دون أن تنكسر. بالطبع ، يمكننا أن نقول أنه ، على العكس من ذلك ، من الجنوب إلى الشمال ، لكنه معتاد جدًا ، من الشمال إلى الجنوب. بنفس الطريقة التي اتبعوها ذات مرة اتجاه التيار من زائد إلى ناقص.

إذا تم تمرير سلك تيار عبر كرتون بدلاً من المغناطيس الدائم ، فستظهره الملفات الموصولة ، أي الموصل ، الحقل المغناطيسي. هذا المجال المغناطيسي لديه شكل خطوط دائرية متحدة المركز.

لدراسة المجال المغناطيسي ، يمكنك الاستغناء عن نشارة الخشب. يكفي تحريك سهم الاختبار المغناطيسي حول الموصل الحالي لمعرفة أن خطوط القوة المغناطيسية هي بالفعل دوائر متحدة المركز. إذا نقلنا سهم الاختبار إلى الجانب الذي ينحرف فيه المجال المغناطيسي ، فسوف نعود بالتأكيد إلى نفس النقطة التي بدأنا من خلالها الحركة. وبالمثل ، مثل المشي في جميع أنحاء الأرض: إذا لم تذهب إلى أي مكان دون الانعطاف ، فعندئذٍ عاجلاً أم آجلاً ستأتي إلى نفس المكان.

الشكل 2

حكم Gimlet

يتم تحديد اتجاه المجال المغناطيسي للموصل بالتيار بواسطة قاعدة المقلد ، وهي أداة لحفر ثقوب في شجرة. كل شيء بسيط للغاية هنا: يجب تدوير المقياس بحيث تتزامن حركته الانتقالية مع اتجاه التيار في السلك ، ثم يوضح اتجاه دوران المقبض حيث يتم توجيه المجال المغناطيسي.

الشكل 3

"التيار قادم منا" - الصليب الموجود في منتصف الدائرة هو ريش سهم يطير خارج مستوى الصورة ، وحيث "التيار قادم نحونا" ، يظهر رأس السهم الذي يطير من خلف الطائرة على الورقة. على الأقل ، تم تقديم تفسير لهذه التسميات في دروس الفيزياء في المدرسة.

تفاعل الحقول المغناطيسية لاثنين من الموصلات مع التيار

الشكل 4

إذا طبقنا قاعدة gimlet على كل موصل ، وبعد تحديد اتجاه المجال المغناطيسي في كل موصل ، يمكننا القول بثقة أن الموصلات التي لها نفس الاتجاه الحالي تنجذب ، وتضاف حقولها المغناطيسية. الموصلات مع التيارات ذات الاتجاهات المختلفة هي مثيرة للاشمئزاز ، يتم تعويض مجالهم المغناطيسي.

مغو

إذا كان الموصل الحالي مصنوعًا على شكل حلقة (ملف) ، فعندئذ يكون له أقطاب مغناطيسية خاصة به ، في الشمال والجنوب. لكن المجال المغناطيسي لدور واحد عادة ما يكون صغيرًا. يمكنك تحقيق نتائج أفضل بكثير عن طريق لف السلك في شكل ملف. مثل هذا الجزء يسمى مغو أو مجرد محاثة. في هذه الحالة ، تتحول الحقول المغناطيسية للفرد إلى أعلى ، يعزز كل منها الآخر.

الشكل 5

يوضح الشكل 5 كيفية الحصول على مجموع الحقول المغناطيسية للملف. يبدو أنه من الممكن تشغيل كل منعطف من مصدره ، كما هو موضح في الشكل. 5.2 ، ولكن من الأسهل توصيل المنعطفات المتسلسلة (قم بلفها بسلك واحد).

من الواضح تمامًا أنه كلما زاد عدد لفات الملف ، زاد مجالها المغناطيسي. أيضا ، يعتمد المجال المغناطيسي أيضا على التيار من خلال الملف. لذلك ، من المشروع تقييم قدرة الملف على إنشاء مجال مغناطيسي ببساطة بضرب التيار عبر الملف (A) بعدد الدورات (W). وتسمى هذه القيمة أمبير - المنعطفات.

لفائف الأساسية

يمكن زيادة المجال المغناطيسي الذي تم إنشاؤه بواسطة الملف بشكل كبير إذا تم إدخال مجموعة أساسية من المواد المغناطيسية المغناطيسية في الملف. ويبين الشكل 6 جدول مع نفاذية مغناطيسية النسبية للمواد المختلفة.

على سبيل المثال ، سيجعل فولاذ المحول المجال المغنطيسي أقوى بنحو 7..7.5 ألف مرة من عدم وجود قلب. وبعبارة أخرى ، داخل المجال ، فإن الحقل المغناطيسي سيدور الإبرة المغناطيسية بقوة 7000 مرة (يمكن تخيل ذلك عقلياً فقط).

الشكل 6

توجد المواد شبه المغناطيسية والمواد المغناطيسية في الجزء العلوي من الجدول. يشار إلى النفاذية المغناطيسية µ نسبة إلى فراغ. وبالتالي ، فإن المواد المغنطيسية تعزز المجال المغناطيسي قليلاً ، بينما المواد المغناطيسية تضعف قليلاً.بشكل عام ، هذه المواد ليس لها تأثير خاص على المجال المغناطيسي. على الرغم من أنه في الترددات العالية ، يتم استخدام نوى النحاس أو الألمنيوم أحيانًا لضبط الخطوط.

في أسفل الجدول توجد مواد مغنطيسية حديدية تعزز بشكل كبير المجال المغناطيسي للملف مع التيار. لذلك ، على سبيل المثال ، فإن قلب مصنوع من فولاذ المحولات سيجعل المجال المغناطيسي أقوى تمامًا 7500 مرة.

كيف وكيف لقياس المجال المغناطيسي

عندما كانت هناك حاجة لوحدات لقياس الكميات الكهربائية ، تم أخذ شحنة الإلكترون كمرجع. تم تشكيل وحدة حقيقية للغاية وحتى ملموسة من شحنة الإلكترون - قلادة ، وعلى أساسها تبين أن كل شيء بسيط: أمبير ، فولت ، أوم ، جول ، وات ، فاراد.

وما الذي يمكن اعتباره نقطة انطلاق لقياس المجالات المغناطيسية؟ نعلق بطريقة أو بأخرى على المجال المغناطيسي للإلكترون إشكالية للغاية. لذلك ، يتم اعتماد موصل كوحدة قياس في المغناطيسية ، والتي من خلالها يتدفق التيار المباشر من 1 أ.

خصائص المجال المغناطيسي

السمة الرئيسية هي التوتر (H). إنه يوضح بالقوة التي يعمل بها المجال المغناطيسي على موصل الاختبار المذكور أعلاه ، إذا حدث ذلك في فراغ. المقصود الفراغ لاستبعاد تأثير البيئة ، وبالتالي هذه الخاصية - التوتر يعتبر نظيفا للغاية. يتم أخذ أمبير للمتر (a / m) كوحدة توتر. يظهر هذا التوتر على مسافة 16 سم من الموصل ، حيث يتدفق التيار 1A.

تتحدث شدة المجال فقط عن القدرة النظرية للمجال المغناطيسي. القدرة الحقيقية على العمل تعكس قيمة مختلفة من الحث المغناطيسي (B). هي التي تُظهر القوة الحقيقية التي يعمل بها الحقل المغناطيسي على موصل بتيار 1A.

الشكل 7

إذا كان تيار 1A يتدفق في موصل طوله 1 متر ، وتم دفعه للخارج (جذب) بقوة 1 N (102 G) ، فإنهم يقولون إن حجم الحث المغناطيسي في هذه المرحلة هو بالضبط 1 تسلا.

الحث المغنطيسي هو عبارة عن كمية متجهية ، بالإضافة إلى القيمة العددية ، كما أن له اتجاهًا يتزامن دائمًا مع اتجاه الإبرة المغناطيسية للاختبار في المجال المغناطيسي قيد الدراسة.

الشكل 8

وحدة الحث المغناطيسي هي Tesla (TL) ، على الرغم من أنها في الممارسة العملية غالباً ما تستخدم وحدة أصغر من Gauss: 1TL = 10،000G. هل هو كثير أم قليلا؟ يمكن أن يصل المجال المغنطيسي بالقرب من مغناطيس قوي إلى عدة T ، بالقرب من الإبرة المغناطيسية للبوصلة التي لا تزيد عن 100 G ، والحقل المغناطيسي للأرض بالقرب من السطح يبلغ حوالي 0.01 G أو أقل.

التدفق المغناطيسي

يميز ناقل الحث المغناطيسي B المجال المغناطيسي عند نقطة واحدة فقط في الفضاء. من أجل تقييم تأثير المجال المغناطيسي في مساحة معينة ، تم تقديم مفهوم آخر مثل التدفق المغناطيسي (fl).

في الواقع ، يمثل عدد خطوط الحث المغناطيسي التي تمر عبر مساحة معينة ، عبر بعض المناطق: Φ = B * S * cosα. يمكن تمثيل هذه الصورة في شكل قطرات المطر: سطر واحد هو قطرة واحدة (B) ، وجنبا إلى جنب هو التدفق المغناطيسي Φ. هذه هي الطريقة التي ترتبط بها خطوط الطاقة المغناطيسية لفردات لفائف في تيار مشترك.

الشكل 9

في نظام SI ، يتم أخذ Weber (Wb) كوحدة للتدفق المغناطيسي ، يحدث هذا التدفق عندما يعمل تحريض 1 T على مساحة 1 متر مربع.

الدائرة المغناطيسية

التدفق المغناطيسي في الأجهزة المختلفة (المحركات ، المحولات ، إلخ) ، كقاعدة عامة ، يمر بطريقة معينة ، تسمى الدائرة المغناطيسية أو ببساطة الدائرة المغناطيسية. إذا كانت الدائرة المغناطيسية مغلقة (جوهر محول الحلقة) ، فإن مقاومتها صغيرة ، ويمر التدفق المغناطيسي دون عائق ، ويتركز داخل النواة. يوضح الشكل أدناه أمثلة للملفات ذات الدوائر المغناطيسية المغلقة والمفتوحة.

الشكل 10

مقاومة الدائرة المغناطيسية

ولكن يمكن قطع القلب ويمكن سحب قطعة منه ، لتكوين فجوة مغناطيسية. سيؤدي ذلك إلى زيادة المقاومة المغناطيسية الشاملة للدائرة ، وبالتالي تقليل التدفق المغناطيسي ، والحد بشكل عام من الحث في القلب بأكمله.إنها نفس طريقة اللحام بالكثير من المقاومة في الدائرة الكهربائية.

الشكل 11.

إذا تم إغلاق الفجوة الناتجة بقطعة من الصلب ، فقد تبين أن قسمًا إضافيًا ذو مقاومة مغناطيسية منخفضة كان متصلاً بالتوازي مع الفجوة ، مما سيعيد التدفق المغناطيسي المضطرب. هذا يشبه إلى حد بعيد تحويلة في الدوائر الكهربائية. بالمناسبة ، هناك أيضًا قانون للدائرة المغناطيسية ، والذي يسمى قانون أوم للدائرة المغناطيسية.

الشكل 12.

الجزء الرئيسي من التدفق المغناطيسي سوف يمر عبر التحويلة المغناطيسية. تُستخدم هذه الظاهرة في التسجيل المغناطيسي لإشارات الصوت أو الفيديو: حيث تغطي الطبقة المغناطيسية للشريط الفجوة الموجودة في قلب الرؤوس المغناطيسية ، ويتم إغلاق التدفق المغناطيسي بالكامل عبر الشريط.

يمكن تحديد اتجاه التدفق المغناطيسي الناتج عن الملف باستخدام قاعدة اليد اليمنى: إذا أشارت أربعة أصابع ممدودة إلى اتجاه التيار في الملف ، فإن الإبهام سيظهر اتجاه الخطوط المغناطيسية ، كما هو مبين في الشكل 13.

 

الشكل 13.

يُعتقد أن الخطوط المغناطيسية تغادر القطب الشمالي وتذهب إلى الجنوب. لذلك ، يشير الإبهام في هذه الحالة إلى موقع القطب الجنوبي. تحقق مما إذا كان الأمر كذلك ، يمكنك استخدام إبرة البوصلة مرة أخرى.

كيف يعمل المحرك الكهربائي

ومن المعروف أن الكهرباء يمكن أن تخلق الضوء والحرارة ، والمشاركة في العمليات الكهروكيميائية. بعد التعرف على أساسيات المغناطيسية ، يمكنك التحدث عن كيفية عمل المحركات الكهربائية.

يمكن أن يكون للمحركات الكهربائية تصميم وقوة ومبدأ تشغيل مختلفان تمامًا: على سبيل المثال ، التيار المباشر أو المتناوب ، الخطوة أو المجمع. ولكن مع كل مجموعة التصميمات المتنوعة ، يعتمد مبدأ التشغيل على تفاعل الحقول المغناطيسية للدوار والجزء الثابت.

للحصول على هذه المجالات المغناطيسية ، يمر التيار عبر اللفات. كلما زاد التيار ، وكلما زاد الحث المغناطيسي لحقل مغناطيسي خارجي ، زاد قوة المحرك. تستخدم النوى المغناطيسية لتعزيز هذا المجال ، لذلك هناك الكثير من الأجزاء الفولاذية في المحركات الكهربائية. تستخدم بعض نماذج محركات التيار المستمر مغناطيسًا دائمًا.

الشكل 14.

هنا ، يمكنك القول ، كل شيء واضح وبسيط: لقد مروا بالتيار الكهربائي عبر السلك ، وحصلوا على حقل مغناطيسي. التفاعل مع مجال مغناطيسي آخر يجعل هذا الموصل يتحرك ، وحتى أداء الأعمال الميكانيكية.

يمكن تحديد اتجاه الدوران بواسطة قاعدة اليد اليسرى. إذا أشارت أربعة أصابع ممدودة إلى اتجاه التيار في الموصل ، وأدخلت الخطوط المغناطيسية راحة يدك ، فإن الإبهام المنحني سوف يشير إلى اتجاه إخراج الموصل في مجال مغناطيسي.

تابع: المحاثات والمجالات المغناطيسية. الجزء 2. الحث الكهرومغناطيسي والحث