Какие основные характеристики магнитного поля существуют. Как измеряется интенсивность магнитного поля. Чем отличаются магнитная индукция и напряженность. В каких единицах измеряются параметры магнитного поля.
Основные характеристики магнитного поля
Магнитное поле характеризуется несколькими ключевыми параметрами:
- Магнитная индукция (B)
- Напряженность магнитного поля (H)
- Магнитный поток (Ф)
- Намагниченность (M)
Рассмотрим каждую из этих характеристик подробнее.
Магнитная индукция — силовая характеристика поля
Магнитная индукция (B) — векторная величина, характеризующая силовое действие магнитного поля на движущиеся электрические заряды. Это основная силовая характеристика магнитного поля.
Единицы измерения магнитной индукции
В системе СИ магнитная индукция измеряется в теслах (Тл). В системе СГС единицей измерения является гаусс (Гс).
1 Тл = 10 000 Гс
Формула для расчета магнитной индукции
Магнитная индукция связана с напряженностью магнитного поля следующим соотношением:
B = μ0μH
где μ0 — магнитная постоянная, μ — магнитная проницаемость среды, H — напряженность магнитного поля.
Напряженность магнитного поля
Напряженность магнитного поля (H) — векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле независимо от магнитных свойств среды.
В чем измеряется напряженность магнитного поля?
Единица измерения напряженности магнитного поля в СИ — ампер на метр (А/м). В системе СГС используется эрстед (Э).
1 А/м = 4π·10^-3 Э ≈ 0,0126 Э
Как рассчитать напряженность магнитного поля?
Для длинного прямого проводника с током напряженность магнитного поля на расстоянии r от оси проводника определяется по формуле:
H = I / (2πr)
где I — сила тока в проводнике.
Магнитный поток — скалярная характеристика поля
Магнитный поток (Ф) — скалярная физическая величина, характеризующая магнитное поле. Он равен потоку вектора магнитной индукции через какую-либо поверхность.
Формула магнитного потока
Магнитный поток через плоскую поверхность площадью S, расположенную перпендикулярно линиям магнитной индукции, рассчитывается по формуле:
Ф = BS
Единицы измерения магнитного потока
В системе СИ магнитный поток измеряется в веберах (Вб). В системе СГС единицей является максвелл (Мкс).
1 Вб = 10^8 Мкс
Намагниченность вещества
Намагниченность (M) — векторная физическая величина, характеризующая магнитное состояние вещества. Она равна магнитному моменту единицы объема вещества.
Как связаны намагниченность и напряженность поля?
Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля соотношением:
M = χH
где χ — магнитная восприимчивость вещества.
В каких единицах измеряется намагниченность?
Единица измерения намагниченности в СИ — ампер на метр (А/м), как и у напряженности магнитного поля.
Интенсивность магнитного поля
Интенсивность магнитного поля характеризуется величиной магнитной индукции B. Чем больше магнитная индукция, тем интенсивнее магнитное поле.
От чего зависит интенсивность магнитного поля?
Интенсивность магнитного поля зависит от следующих факторов:
- Силы тока в проводнике
- Расстояния от проводника с током
- Магнитных свойств среды
- Геометрии проводника (для катушек — от числа витков)
Как измерить интенсивность магнитного поля?
Для измерения интенсивности магнитного поля используются магнитометры — приборы, измеряющие магнитную индукцию. Существуют разные типы магнитометров:
- Феррозондовые
- Квантовые (протонные, цезиевые)
- Датчики Холла
- Магниторезистивные
Сравнение магнитной индукции и напряженности поля
Хотя магнитная индукция B и напряженность H характеризуют магнитное поле, между этими величинами есть важные различия:
| Магнитная индукция B | Напряженность поля H |
|---|---|
| Характеризует силовое действие поля | Характеризует поле независимо от свойств среды |
| Зависит от свойств среды | Не зависит от магнитных свойств среды |
| Измеряется в теслах (Тл) | Измеряется в амперах на метр (А/м) |
Магнитные свойства различных веществ
По магнитным свойствам вещества делятся на три основных типа:
Диамагнетики
Диамагнетики слабо намагничиваются против направления внешнего магнитного поля. К ним относятся:
- Инертные газы
- Многие металлы (медь, серебро, золото)
- Некоторые органические соединения
Парамагнетики
Парамагнетики слабо намагничиваются по направлению внешнего магнитного поля. Примеры парамагнетиков:
- Алюминий
- Платина
- Кислород
Ферромагнетики
Ферромагнетики сильно намагничиваются во внешнем магнитном поле и способны сохранять намагниченность. К ним относятся:
- Железо
- Никель
- Кобальт
- Некоторые редкоземельные металлы
Применение магнитных полей
Магнитные поля находят широкое применение в науке и технике:
- Электродвигатели и генераторы
- Трансформаторы
- Магнитная левитация
- Магнитно-резонансная томография
- Магнитная сепарация материалов
- Магнитные накопители информации
Понимание характеристик и свойств магнитных полей важно для разработки и применения многих современных технологий.
Основные параметры магнитного поля
Параметры магнитного поля
Пространство, где проявляется действие магнитных сил. Графически магнитное поле изображается магнитными силовыми линиями направленными от северного полюса к южному.
Магнитное поле в проводниках с электрическим током
Если по проводнику протекает ток, то вокруг проводника создаётся магнитное поле направление которого определяется по правилу Буравчика.
Соленоид – проводник, свёрнутый в спираль.
Если по соленоиду протекает постоянный ток, то он ведёт себя как обыкновенный магнит, на его торцах образуется северный и южный полюс.
Намагничивающая сила соленоида прямо пропорционально ампер – витков.
Ф = К × I × W
Ф – намагничивание
В радиотехнике применяются соленоиды с сердечниками для увеличения интенсивности магнитного поля.
Ф = К × I × W × µ
µ – магнитная проницаемость
Параметры магнитного поля
Магнитная индукция ( В )
Магнитная индукция, характеризует интенсивность магнитного поля, численно определяемая величиной приложенной силы, с которой она действует на проводник длинной в 1 метр и при этом по проводнику протекает ток в 1А.
Размерность 1Тл (тесла)
Магнитный поток Ф
Количество силовых линий приходится на данную площадь
Ф = B × S 1Вб (Вебер)
Напряжённость магнитного поля (Н)
| Н = | Σ × I l |
Н – 1 | A M |
Н – это отношение полного тока пронизывающего данную поверхность к длине магнитной силовой линии.
Магнитная проницаемость (µ) – она показывает , во сколько раз магнитное поле в данном веществе больше или меньше проницаемости в вакууме.
µ (раз)µ > 1– парамагнитные материалыµ – диамагнитные материалыµ >> 1– ферромагнитные материалы
Намагничивание ферромагнитного материала
В ферромагнитном сердечнике находится малые по объёму домены, которые хаотично расположены по объёму сердечника, при наличии внешнего поля происходит внешняя переориентация доменов и интенсивность магнитного поля возрастает. Это явление видно по графику.
B = f(Н)
Из графика видно с увеличением Н растёт магнитная индукция.
При некотором значении Н, B наибольшая, наступает магнитное насыщение.
Перемагничивание ферромагнитного материала
Кривая 0,A,B,C,D,F,E обозначает процесс перемагничивания ферромагнитного материала, из графика видно что между A и B имеется некоторое отставание, так называемый магнитный гистерезис.
В зависимости от вида петли гистерезиса, различают магнитные материалы.
Магнитомягкие материалы, – петля гистерезиса узкая магнитная индукция малой величины, такие материалы работают в качестве сердечников трансформаторов и дросселей в цепях переменного тока.
Магнитотвердые материалы – магнитная индукция значительной величины, из таких материалов выполняют постоянные магниты.
В радиотехнике применяют также ферриты с прямой петлёй гистерезиса.
Проводник с током в магнитном поле
Если по проводнику протекает ток, то вокруг него возникает магнитное поле которое взаимодействует с внешним магнитным полем. И в результате проводник какбы выталкивается из магнитного поля.
Такое явление применяется в электродвигателях, тестерах и т.д.
Электрон в магнитном поле (кинескопа)
Если электрон движется в магнитном поле то его собственное магнитное поле взаимодействует с магнитным полем отклоняющей системы (
Интенсивность — магнитное поле — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Интенсивность — магнитное поле
Cтраница 1
Интенсивность магнитного поля характеризуется величиной, носящей название магнитной индукции. Магнитная индукция — это магнитный поток, проходящий через единицу поверхности, перпендикулярной к направлению магнитного потока. [2]
Интенсивность магнитного поля оценивается величиной — магнитной индукции, которая является плотностью магнитного потокав данной точке поля. [3]
Интенсивность магнитного поля характеризуется величиной, носящей название магнитной индукции. Магнитная индукция является векторной величиной, следовательно, она имеет не только численное значение, но и, направление. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением магнитных силовых линий. [5]
Интенсивность магнитного поля зависит не только от тока, размеров и формы проводника, по которому проходит ток, но также и от свойств среды, в которой создается магнитное поле. [6]
Интенсивность магнитного поля одного и того же тока в различных средах различна. [7]
Интенсивность магнитного поля зависит от среды, в которой оно возникает. [8]
Интенсивность магнитного поля определяется током, которым это поле обусловлено. [9]
Интенсивность магнитного поля возрастает приблизительно в 3 раза ( при показателе адиабаты у 2, что соответствует движению плазмы поперек сильного магнитного поля) независимо от существования застойной линии. [11]
Интенсивность магнитного поля зависит не только от величины тока, проходящего по проводнику или катушке, но и от свойств среды, в которой создается магнитное поле. [12]
Интенсивность магнитного поля характеризуется магнитной индукцией В. [13]
Характеристикой интенсивности магнитного поля в каждой его точке является векторная величина, называемая магнитной индукцией. Вектор магнитной индукции принимается направленным по касательной к магнитной линии, проходящей через данную точку поля. Сила, действующая на отрезок провода с током, изображенный на фиг. [14]
Однако если интенсивность магнитного поля невелика, то все эти расщепления достаточно малы и ими в первом приближении можно пренебречь. Включение магнитного поля нарушает подобную инвариантность, но если интенсивность поля В мала, можно говорить о приближенной инвариантности относительно таких поворотов. Из строгой или приближенной инвариантности относительно поворотов в пространстве следует строгий или приближенный закон сохранения момента системы J. При наличии интенсивного магнитного поля В момент системы J, конечно, не сохраняется. Однако даже в этом случае сохраняется его проекция J. [15]
Страницы: 1 2 3 4
2.2.5 Магнитное взаимодействие
Атомно-силовой микроскоп может использоваться для исследования магнитных полей на поверхности образца. Такие методики объединяются под названием МСМ (магнитно-силовая микроскопия). В них используются специальные кантилеверы, которые покрыты магнитной пленкой. При взаимодействии с магнитным полем образца такой кантилевер отклоняется. Могут существовать следующие типы кантилеверов: диамагнитные, парамагнитные [
Здесь мы кратко напомним об этих трех типах магнетиков, рассмотрев диамагнетизм, парамагнетизм и ферромагнетизм на феноменологическом уровне. Заинтересованных же отошлем к более серьезной литературе, например, [5, 6, 7].
Магнитные свойства вещества описываются вектором намагниченности . Его связь с напряженностью магнитного поля задается формулой [8,9]:
(1)
где – магнитная восприимчивость вещества. В свою очередь, напряженность магнитного поля связана с вектором магнитной индукции и вектором намагничивания следующим образом:
(2)
Подставляя (1) в (2), получим:
(3)
где – магнитная проницаемость вещества. Таким образом, магнитные свойства вещества описываются одним независимым параметром – или .
Диа- и парамагнетизм.
Атомы многих веществ не имеют постоянных магнитных моментов, или, вернее, все спиновые и орбитальные магнитные моменты внутри атома уравновешены так, что суммарный магнитный момент равен нулю. Если наложить магнитное поле, то внутри атома будут генерироваться слабые дополнительные токи. В соответствии с законом Ленца они будут индицироваться так, чтобы уменьшить магнитное поле, и наведенный магнитный момент атомов направлен навстречу магнитному полю. Таков механизм диамагнетизма.
Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость для диамагнетиков:
(4)
(5)
где – число атомов в единице объема, – число электронов в атоме, и – заряд и масса электрона, – скорость света, – средний квадрат расстояния электрона до ядра. Энергия теплового движения слишком мала, чтобы изменить внутреннее (квантованное) состояние атома. Поэтому для диамагнетиков и не должны зависеть от температуры. Обратим внимание, что и, тем самым, .
К диамагнетикам относятся, например, кислород, алюминий, платина, хлористое железо – , благородные газы и т.д.
Однако существуют такие вещества, атомы которых обладают магнитным моментом, спиновым или орбитальным. Таким образом, кроме диамагнитного эффекта (а он всегда присутствует) есть возможность выстраивания индивидуальных атомных моментов в одном направлении. Магнитные моменты ориентируются в направлении магнитного поля, усиливая его.
Парамагнетизм, вообще говоря, довольно слаб, потому что выстраивающие силы относительно малы по сравнению с силами теплового движения, которые стараются разрушить упорядочивание. Отсюда следует, что парамагнетизм особо чувствителен к температуре. Эффект парамагнетизма тем сильнее, чем ниже температура.
Пусть – магнитный момент атома, – магнитная индукция, – число атомов в единице объема, – константа Больцмана, – температура. Тогда для парамагнетиков в слабых полях – , когда зависимость вектора намагничивания от напряженности магнитного поля линейна, магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость равны:
(6)
(7)
Обратно пропорциональная зависимость восприимчивости от абсолютной температуры (6) носит название закона Кюри. Заметим, что для парамагнетиков и, тем самым, .
В сильных полях намагничивание приходит в состояние насыщение, когда все магнитные моменты устанавливаются параллельно полю:
(8)
Так как диамагнетизм проявляется во всех веществах, он частично или полностью компенсирует парамагнетизм за счет противоположного по знаку вклада в восприимчивость. Поэтому для материалов с атомами, имеющими магнитный момент, можно говорить лишь о преобладании диа- или парамагнитных свойств в веществе, причем их баланс зависит от температуры. К парамагнетикам относятся, например, азот, углекислота, вода, серебро, висмут и т.д.
Ферромагнетизм.
В ферромагнетиках эффект упорядочения магнитных моментов проявляется во много раз сильнее, чем в диа- и парамагнетиках. Ферромагнетизм определяется коллективным взаимодействием атомных магнитных моментов, находящимися в состоянии с нарушенной симметрией (фазовый переход второго рода) и образующих магнитные домены. Ферромагнетиками называются тела, которые могут обладать спонтанной намагниченностью, то есть намагничены уже в отсутствие магнитного поля. Типичными представителями ферромагнетиков являются переходные металлы: железо, кобальт, никель и многие их сплавы. Ферромагнетизмом обладают некоторые редкоземельные элементы (гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, туллий).
Характерной особенностью ферромагнетиков является сложная нелинейная зависимость между и или между и . Характер этой зависимости представлен на рис. 1 и 2.
Рис. 1. Зависимость намагничивания от
напряженности магнитного поля.
Рис. 2. Зависимость магнитной индукции от
напряженности магнитного поля.
По мере возрастания намагниченность сначала быстро увеличивается, а затем приходит к насыщению и остается практически постоянной: (насыщение), то есть кривая переходит в горизонтальную прямую. Магнитная индукция также растет с увеличением поля , а в состоянии насыщения , то есть кривая переходит в прямую, наклоненную под углом (если и откладывать на осях координат в одинаковом масштабе).
Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость уже зависят не только от свойств вещества и температуры, как у диа- и парамагнетиков, а являются функциями напряженности поля и, более того, определяется его историей.
Восприимчивость и проницаемость сначала возрастают с , затем проходят через максимум, и, наконец, в сильных полях, когда достигнуто насыщение, стремится к единице (рис.3), а – к нулю.
Рис. 3. Зависимость магнитной восприимчивости от напряженности магнитного поля.
Значения в максимуме у большинства ферромагнетиков при обычных температурах составляют многие сотни и тысячи единиц.
Вторая характерная особенность ферромагнетиков состоит в том, что для них зависимость от или от не однозначна, а определяется предшествующей историей намагничивания ферромагнитного образца. Это явление называется магнитным гистерезисом. Изображенная на рисунке 4 замкнутая кривая называется петлей гистерезиса, а кривая – предельной (наибольшей) петлей гистерезиса.
Рис. 4. Петля гистерезиса.
При индукция не обращается в нуль, а изображается отрезком . Ему соответствует остаточное намагничивание . С наличием такого остаточного намагничивания связано существование постоянных магнитов. Для того, чтобы размагнитить образец, надо довести кривую размагничивания до точки или . Этим точкам соответствует магнитное поле . Оно называется коэрцитивной силой ферромагнетика. Значения остаточного намагничивания и коэрцитивной силы для разных ферромагнетиков меняются в широких пределах. Для мягкого железа петля гистерезиса узкая (коэрцитивная сила мала), для стали и всех материалов, идущих на изготовление магнитов, – широкая (коэрцитивная сила велика). Например, для кобальта и его сплавов, которые используются для покрытия магнитожестких кантилеверов, характерная величина коэрцитивной силы составляет 400 эрстед. С другой стороны, магнитное поле зонда в целом ряде случаев может оказаться слишком большим, что может приводить к искажению или даже разрушению исследуемой магнитной структуры. Для этих целей используют зонды с покрытием – . Совершенно такой же характер имеет петля гистерезиса, когда по вертикальной оси откладывается не индукция , а намагничивание .
Выводы.
- Вещества по их поведению в магнитном поле подразделяют на три основных типа: диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные.
- Диамагнитные свойства проявляют все вещества. Суть эффекта – в возникновении индуцированных внутриатомных токов, которые уменьшают индукцию магнитного поля в веществе. Магнитная восприимчивость диамагнетиков отрицательна.
- Парамагнитные свойства могут проявлять вещества с атомами, имеющими магнитный момент. Магнитная восприимчивость при этом положительна и уменьшается с ростом температуры.
- Ферромагнетизм является очень сильным коллективным эффектом. Причем магнитная восприимчивость и проницаемость вещества становится неоднозначными функциями поля и зависят от его истории. Характерные ферромагнитные явления – спонтанная намагниченность и гистерезис намагниченности. Коэрцитивная сила магнитожестких кантилеверов (с кобальтовым покрытием) составляет порядка 400 эрстед, а магнитомягких (с покрытием ) – менее 10 эрстед.
Литература.
- O. Teschke, M.U. Kleinke, M.E.R. Dotto et al, J. Appl. Phys. 94, 1 (2003).
- P.F. Hopkins, J. Moreland, S.S. Malhotra et al, J. Appl. Phys. 79, 6448 (1996).
- H.J. Mamin, D. Rugar, P. Gruetter et al, Bull. Am. Phys. Soc. 35, 420 (1990).
- P. Grutter, D. Rugar, H.J. Mamin et al, Appl. Phys. Lett. 57, 1820 (1990).
- Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. I часть. – М.: Мир, 1987. – 302 с.;
Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. II часть. – М.: Мир, 1987. – 420 с. - Уайт Р.М. Квантовая теория магнетизма. – М.: Мир, 1972.
- Дорфман Я.Г. Диамагнетизм и химическая связь. – М.: Физматгиз, 1961.
- Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике: Физика сплошных сред. – М.: Мир, 1977. – 300 с.
- Сивухин Д.В. Курс общей физики: Электричество. – М.: Наука, 1983. – 687 с.
Вектор напряженности магнитного поля
Для описания магнитного поля используются две его основные характеристики — индукция B→ и напряженность H→. Эти величины связаны между собой. Рассмотрим, что такое напряженность магнитного поля, чему она равна, каков физический смысл этой величины.
Напряженность магнитного поля
ОпределениеНапряженность магнитного поля — векторная физическая величина, в общем случае равная разности векторов индукции магнитного поля B→ и намагниченности Pm→.
Напряженность обозначается буквой Н→. Единица измерения напряженности магнитного поля в системе СИ — ампер на метр (Амперметр).
Формула напряженности магнитного поля:
Н→=1μ0B→-Pm→.
Здесь коэффициент μ0 — магнитная постоянная. μ0=1,25663706 НА2.
Физический смысл напряженности магнитного поля
Индукция магнитного поля — силовая характеристика. Индукция определяет, с какой силой магнитное поле действует на заряд, движущийся в поле с определенной скоростью.
Напряженность поля характеризует густоту силовых линий (линий магнитной индукции).
Физический смысл напряженности магнитного поляВ вакууме или при отсутствии среды, способной к намагничиванию (например, в воздухе) напряженность магнитного поля совпадает с магнитной индукцией с точностью до коэффициента μ0.
В средах, способных к намагничиванию (магнетиках) напряженность несет смысл как бы «внешнего поля». Она совпадает с вектором магнитной индукции, который был бы, если бы магнетика не было.
Циркуляция вектора напряженности магнитного поля
Существует теорема о циркуляции магнитного поля. Это одна из основных теорем электродинамики, сформулированная Анри Ампером. Ее также иногда называют теоремой или законом Ампера. Теорема о циркуляции магнитного поля — своеобразный аналог теоремы Гаусса о циркуляции вектора напряженности электрического поля.
Теорема о циркуляции магнитного поляЦиркуляция вектора напряженности магнитного поля по замкнутому контуру равна алгебраической сумме токов проводимости, охваченных контуром, по которому рассматривается циркуляция.
∮H→dr→=∑Im
ПримерОпределить циркуляцию вектора напряженности для замкнутого контура L.
I1=5A, I2=2A, I3=10A, I4=1A.
По теореме о циркуляции:
∮H→dr→=∑Im
Рассматриваемый контур охватывает токи I1, I2, I3.
Подставим значения c учетом указанных на рисунке направлений токов и вычислим циркуляцию:
∮H→dr→=∑Im=5A12A+10A=13A.
Магнитное поле — вихревое поле, которое не является потенциальным. Циркуляция вектора напряженности в общем случае отлична от нуля.
Нужна помощь преподавателя?
Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!
Описать заданиеНапряженность магнитного поля — Основы электроники
Напряженность магнитного поля, то есть силу магнитного поля оценивают по густоте магнитных силовых линий в данной точке поля. Напряженность магнитного поля обозначают в формулах буквой Н. Напряженность магнитного поля показывает число силовых линий магнитного поля, проходящих через 1 см2 поперечного сечения поля.
Магнитные силовые линии, пронизывающие какую-либо площадку, называются магнитным потоком через эту площадку. Магнитный поток через данную площадку будет, следовательно, тем больше, чем больше силовых линий проходит через нее. Магнитный поток обозначают буквой Ф.
Направление магнитных силовых линий связано с направлением тока в проводнике. Наиболее простым способом определения направления магнитных силовых линий является использование правила буравчика (рисунок 1).
Рисунок 1. Определение направления магнитных силовых линий по правилу буравчика.
Правило буравчика состоит в следующем: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения буравчика совпадает с направлением магнитных силовых линий.
Интерактивная демонстрация правила буравчика. Нажать на выключатель!Рисунок 2. Интерактивная демонстрация определения направления линий напряженности магнитного поля с помощью правила буравчика.
Для подачи тока нажмите на выключатель
Для изменения направления тока нажмите на источник напряжения
Придадим проводнику с током форму кольца (рисунок 2). Пользуясь правилом буравчика, мы легко установим, что магнитные силовые линии, создаваемые всеми участками проводника, имеют внутри кольца одинаковое направление. Значит, внутри кольца магнитное поле будет сильнее, чем снаружи.
Рисунок 3. Напряженность магнитного поля в витке с током.
Изготовим из проводника цилиндрическую спираль и пропустим по ней электрический ток (рисунок 3). Ток по всем виткам будет проходить в одном и том же направлении. Это будет равносильно тому, что мы поместим ряд кольцевых проводников на одну общую ось. Проводник, имеющий такую форму, называется соленоидом или катушкой.
Рисунок 4. Напряженность магнитного поля в катушке.
Пользуясь правилом буравчика, мы легко установим, что магнитные силовые линии, создаваемые всеми витками катушки, имеют внутри нее одинаковое направление. Значит, внутри катушки будет более сильное магнитное поле, чем внутри одного витка. Между соседними витками катушки магнитные силовые линии направлены навстречу друг другу, и поэтому магнитное поле в этих местах будет очень ослаблено. Снаружи же катушки направление всех магнитных силовых линий будет одинаковым.
Магнитное поле катушки тем сильнее, чем больше сила тока, проходящего по ее виткам, и чем теснее, т. е. ближе друг к другу, расположены витки. Из двух катушек с одинаковым током и одинаковым числом витков более сильное поле имеет катушка, у которой витки расположены ближе друг к другу, т. е. катушка, имеющая меньшую осевую длину.
Произведение силы тока в амперах на число витков, носит название ампервитков и характеризует магнитное действие электрического тока, то есть магнитодвижущую силу.
Пользуясь этим термином, можно сказать, что магнитное поле катушки тем сильнее, чем больше ампервитков приходится на единицу ее осевой длины.
ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!
Похожие материалы:
Добавить комментарий
Магнитное поле — МАГНИТ СТАНДАРТ
Как известно, появление магнитных взаимодействий происходит за счет движения заряженных частиц. Стационарные магнитные поля возникают вокруг проводников с постоянным электрическим током.
В зависимости от направления, по которому движутся заряженные частицы, два проводника, расположенные в непосредственной близости, могут взаимно отталкиваться или притягиваться. Это обуславливается силами, которые создают возникающие магнитные поля.
Основные характеристики магнитного поля, используемые в системах СИ и СГС
Магнитное поле имеет следующие основные характеристики:
- Напряженность (H). Для измерения значения этой векторной величины в международной системе СИ используются амперы на метр (А/м). В системе «Сантиметр-Грамм-Секунда» для этого применяются Эрстеды (Э). Взаимосвязь выглядит следующим образом: 1 А/м = 4π/103 Э. 1 А/м ≈ 0,0125663 Э.
- Индукция (B). Для измерения значения этой векторной величины в международной системе СИ используются Теслы (Тл). В системе «Сантиметр-Грамм-Секунда» для этого применяются Гауссы (Гс). Взаимосвязь выглядит следующим образом: 1 Тл = 10000 Гс.
Магнитная индукция в системе «Сантиметр-Грамм-Секунда»
В системе СГС связь индукции и напряженности в присутствии магнитного материала определяется следующим соотношением:
B=H+4πI
В этой формуле I — магнитный момент единицы объема материала (намагниченность). В системе СГС для измерения этой величины используются Гауссы (Гс).
Индукция характеризует поле, возникающее в веществе. Напряженность определяет параметры внешних магнитных полей и магнитных полей в вакууме. Величина B также может использоваться для внешних магнитных полей.
В вакууме значения индукции и напряженности равны (по системе СГС).
Магнитная индукция в международной системе СИ
В системе СИ используется следующее соотношение:
B=µ0(H+I)
В этой формуле µ0 — магнитная проницаемость вакуума. µ0 = 4π*10-7 Гн/м.
Векторы индукции, намагниченности и напряженности
На рисунке 1 показаны векторы намагниченности, индукции и напряженности в постоянном магните при отсутствии внешнего поля.
Рисунок 1 — Намагниченность, индукция и напряженность в постоянном магните.
Напряженность — это поле, создаваемое самим магнитом. Вектор H направлен противоположно вектору I. Напряженность иначе называется размагничивающим полем.
Таблица характеристик магнитного поля
Характеристика СИ СГС Связь между СИ и СГС Напряженность (Н) А/м (ампер на метр) Э (Эрстед) 1 А/м = 4π/1000 Э 1 А/м ≈ 0,0125663 Э 1 Э ≈ 79,57 А/м Магнитный поток (Ф) Вб (Вебер) Гс*см2 (Максвелл) 1 Вб = 100000000 Гс*см2 Индукция (В) Тл (Тесла) Гс (Гаусс) 1 Т = 10000 Гс 1 Гс = 0,0001 Т Намагниченность (I) А/м (ампер на метр) Гс (Гаусс) 1 А/м = 0,001 Гс 1 Гс = 1000 А/м
Магнитный диполь
На рисунке 2 представлены силовые линии магнитного поля, которые создают магнитные диполи (рамки с током).
Рисунок 2 — Силовые линии магнитного диполя.
Постоянный магнит можно также рассматривать как рамку с током. Создаваемые в окружающем пространстве силовые линии идентичны.
Лаборатория физики магнитных явлений — Русский
Современная лаборатория физики магнитных явлений характеризуется сочетанием нескольких взаимопроникающих и поддерживающих друг друга направлений. Есть две технологических группы: молекулярно –лучевая эпитаксия магнитных пленок и наноструктур в сверхвысоком вакууме (Сергей Николаевич Варнаков, Иван Александрович Яковлев, Сергей Александрович Лященко, Иван Анатольевич Тарасов, Дмитрий Валентинович Шевцов), рост магнитных монокристаллов и поликристаллов (Валерий Васильевич Руденко и Вячеслав Анатольевич Дудников), экспериментальные группы магнитооптических исследований магнитных материалов (Ирина Самсоновна Эдельман, Руслан Дмитриевич Иванцов, Оксана Станиславовна Иванова, Дмитрий Анатольевич Петров), спектроскопии магнитных материалов (Александр Валентинович Малаховский, Александр Леонидович Сухачев), группа транспортных и магнитных исследований (Наталья Валерьевна Казак), которая также активно использует современные синхротронные методики рентгеновской спектроскопии (Михаил Сергеевич Платунов), группа исследования магнитных наночастиц для биомедицинских применений (Алексей Эдуардович Соколов), группа синхротронных исследований структуры биомолекул с помощью малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (Владимир Николаевич Заблуда). Есть две теоретические группы: расчеты методами теории функционала плотности свойств твердотельных материалов (Александр Семенович Федоров) и биомолекул (Феликс Николаевич Томилин), и группа по созданию новых методов расчета материалов с сильными электронными корреляциями (С.Г. Овчинников, Игорь Семенович Сандалов, Владимир Александрович Гавричков, Максим Михайлович Коршунов, Елена Игоревна Шнейдер, Юрий Сергеевич Орлов и Илья Александрович Макаров).
Казалось бы, при такой разнородности и широте тематик неминуема самоизоляция каждой группы. На самом деле это не так. Один пример: технологи из группы С.Н. Варнакова получили высококачественную монокристаллическую пленку ферромагнитного силицида Fe3Si, группа теоретиков под руководством И.С. Сандалова выполнила расчеты электронной структуры и оптических спектров поглощения тремя различными вариантами учета электронных корреляций за пределами теории функционала плотности, сравнение с измеренными экспериментально спектрами показало, что только наилучший с точки зрения теории метод с самосогласованным расчетом массового оператора дает согласие с экспериментов во всем диапазоне частот. Таких примеров можно привести немало.
Например, в группе И.С. Эдельман исследовались магнитооптические пленки наночастиц грейгита Fe3S4, а в группе А.С. Федорова были проведены зонные расчеты спин-поляризованных плотностей состояний. Было обнаружено совпадение энергий наблюдаемых пиков в спектрах с энергиями наиболее интенсивных межзонных переходов.
Другой пример: Н.В. Казак исследовала при низких температурах магнитные свойства редкоземельных кобальтитов GdCoO, полученных В.А. Дудниковым, и выделила вклад ионов гадолиния, сам В.А. Дудников провел высокотемпературные магнитные измерения и выделил вклад кобальта, А.С. Федоров и АА. Кузубов рассчитали в теории фукнционала плотности параметры элементарной ячейки в двух возможных состояниях ионов кобальта с высоким спином и с низким спином, прецизионная рентгеновская диффракция в широком интервале температур, измеренная Леонидом Александровичем Соловьевым из института химии и химической технологии, обнаружила области в образце с параметрами высокоспинового и низкоспинового состояния, А.Э. Соколов и В.Н. Заблуда исследовали спектры поглощения, Ю.С. Орлов рассчитал электронную структуру с учетом сильных электроных корреляций. В результате такого комплексного подхода была установлена природа необычно сильной связи между свойствами решетки, электронной и магнитной подсистем в редкоземельных кобальтитах.
(И.С. Эдельман, Р.Д.Иванцов, О.С.Иванова, Ю.Э.Самошкина, В.Н.Заблуда, А.Э.Соколов, Петров Д.А.)
За отчетный период исследовано взаимодействие электромагнитного излучения оптического диапазона с ансамблями наночастиц CuCr2Se4, Dy3Fe5O12 и пленочных структур на основе CuCr2Se4 и PrSrMnO3. Основное внимание уделено магнитному круговому дихроизму (МКД), измеряемому по методике, ранее разработанной участниками проекта. МКД – наиболее информативный магнитооптический эффект с точки зрения расшифровки структуры возбужденных состояний магнитоактивных ионов. Также проведены структурные и магнитные исследования, необходимые для интерпретации магнитооптических данных.
Впервые синтезированы и изучены ансамбли наночастиц CuCr2Se4 в форме правильных нано-кристаллов, ориентированных в кристаллографичес-кой плоскости (111), в сопоставлении с аналогично ориентированными тонкими пленками такого же состава. Обнаружена тенденция наночастиц образовывать сборки в виде стопок, состоящих из ориентированных плоскостями друг к другу пластин (рисунок 1а). Вследствие магнито-статического взаимодействия в отсутствие внешнего поля магнитные моменты соседних нано-пластинок направлены противоположно друг другу и суммарный магнитный момент всех частиц близок к нулю (рисунок 1 б).
Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение стопок нано-пластин (а), схемы ориентаций магнитных моментов наночастиц в стопках и ориентаций осей легкого намагничивания в отдельной нанопластинке (б).
При приложении поля все моменты выстраиваются по его направлению, в результате появляется суммарный момент «стопки», что позволяет с помощью магнитного поля перемещать ее в нужном направлении. Показано, что магнитные, резонансные, транспортные и магнитооптические свойства как частиц, так и пленок обусловлены особенностями структуры и магнитной анизотропии.
Впервые изучен МКД в оптическом диапазоне для ансамбля наночастиц диспрозиевого феррита-граната (ДИГ), синтезированных по новой модификации метода осаждения анионообменной смолы. В спектре МКД выявлены пики, связанные с электронными переходами в ионах железа и диспрозия, расположенных в различных спектральных интервалах (рисунок 2). Были изучены зависимости интенсивности пика МКД от величины температуры и внешнего магнитного поля. Впервые изучена температурная зависимость вклада редкоземельных ионов Dy в спектр МКД, что может быть использовано для более глубокого изучения свойств редкоземельных гранатов в области температуры магнитной компенсации.
Рис. 2. Спектры МКД композитного образца, содержащего наночастицы ДИГ при температурах 90 К (красная линия) и 297 К (черная линия) (а). Максимум МКД, связанный с переходом 6h25/2 →6F5/2 в ионе Dy3+ при различных температурах (б). H=3 кЭ. Tкомпенсации≈215 K.
Исследованы температурные зависимости магнитной восприимчивости (рисунок 3а) и электронного магнитного резонанса (рисунок 3б) в поликристаллических пленках Pr1−xSrxMnO3/YSZ (x = 0.2, 0.4). На основании результатов этих экспериментов сделано заключение, что в исследованных пленках толщиной 50–130 нм при температурах выше Tc (соответственно 115 К, 215 K) реализуется фаза, подобная фазе Гриффитса, представляющая собой ферромагнитные корреляции ближнего порядка в парамагнитной области.
Рис. 3.Температурные зависимости магнитной восприимчивости и ее обратной величины для Pr1−xSrxMnO3/YSZ (d ∼ 100 нм) (а). Температурные зависимости спектров электронного магнитного резонанса в пленке Pr0.6Sr0.4MnO3/YSZ (d ∼ 130 нм) (б).
(С.Н.Варнаков, Лященко С.А., Максимова О.А., Тарасов И.А., Яковлев И.А.)
Синтезированы наноматериалы на основе тонких пленок силицидов железа и марганца с целью создания планарных структур для спинтроники, в том числе пленки Fe1-xSix с сильной одноосной магнитной анизотропией, исследованы структура и магнитные свойства пленок методами in situ магнитооптической эллипсометрии. Предложен метод формирования планарных наноструктур на основе эпитаксиальных пленок Fe1-xSix на поверхности Si(111), выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Проведена модернизация сверхвысоковакуумной многофункциональной установки, позволяющей в едином технологическом цикле получать полупроводниковые или металлические наноструктуры и исследовать их оптические и магнитооптические свойства в температурном диапазоне 85÷900 K. Для этого был разработан оригинальный держатель образца (Рисунок 4).
Рис. 4.Держатель образца. 1 — винт, 2 — шайба, 3 –диэлектрические втулки, 4 — токопровод, 5 — контакты, 6 — ограничители, 7 – ограничительный элемент , 8 — платиновое термосопротивление ЧЭП-2888, 9 — крепление, 10 –держатель образца, 11 — шток, 12 – коаксиальная трубка, 13 -образец, 14 – диэлектрическая пластина.
Возможности созданной системы были продемонстрированы на примере измерения температурной зависимости спектрограмм комплексной диэлектрической проницаемости объемного Si. Методика анализа магнитооптических данных, получаемых на упомянутой выше магнитоэллипсометрической установке. развита для двуслойной модели ферромагнитных наносруктур. Реализованные алгоритмы позволяют по данным измерений эллипсометрических параметров и поправок в них рассчитывать комплексный коэффициент преломления, а также комплексный магнитооптический параметр Фохта Q.
(Н.В. Казак, В.А.Дудников, В.В.Руденко)
Для раствор–расплавов на основе тримолибдата висмута (Bi2Mo3O12) определены основные параметры кристаллизации и найдены условия устойчивого роста монокристаллов Mn2-xFexBO4 (x=0.0, 0.3, 0.5, 0.7) и Co2.9Fe0.1BO5. Проведены измерения рентгеновской дифракции, решена кристаллическая структура, определен тип симметрии, параметры решетки. Измерены магнитные характеристики в широком интервале температур (Т=1.8–300 К) и полей (H=0–90 кЭ) при различной ориентации внешнего магнитного поля относительно С-оси. Определены основные параметры магнитной структуры. измерены XANES/EXAFS спектры (K – край поглощения Co, Mn, Fe). Определено отношение катионов Mn/Fe, Co/Fe и проведено уточнение химического состава. Определена симметрия локального окружения, межионные расстояния, фактор Дебая – Уоллера и их температурное изменение. Проведен теоретический расчет XANES спектров в монокристалле Mn2BO4 (FDMNES), анализ электронной структуры, эффективных зарядовых состояний. Выявлено влияние Fe-замещения на кристаллическую, локальную и магнитную структуры. Изучено зарядовое упорядочение в гомометаллическом варвиките Mn2BO4. Проведено измерение рентгеновской дифракции, XANES/EXAFS спектров в широком интервале температур (5-600 К). Получены и исследованы магнитные свойства монокристаллов Co+2 2Co+3 1-xFe+3 xBO5 (x=0.10) со структурой людвигита.
Рис. 5. Экспериментальные температурные зависимости молярной теплоемкости, коэффициента объемного теплового расширения и рассчитанная зависимость dnHS/dT, характеризующая скорость заселения высокоспинового состояния.
Для редкоземельных кобальтитов La1-xGdxCoO3, в которых состояние сильного сжатия достигается химическим давлением, экспериментально изучена корреляция температурных аномалий теплового расширения и теплоемкости с заселенностью высокоспиновых состояний (рис. 5) для всего ряда твердых растворов La1-xGdxCoO3, в которых лантаноидное сжатие стабилизирует низкоспиновое состояние с ростом концентрации Gd.
(А.В. Малаховский, Сухачев А.Л.)
Изучены спектры поглощения монокристалла HoFe3(BO3)4 в интервале 8500-24500 cm-1 в функции от температуры от 2К. Ионы Ho3+ расположены в позициях с локальной симметрией C2. Однако обнаружено, что расщепление состояний иона, соответствующее переходу от симметрии D3 к C2 отсутствует, и поэтому идентификация состояний была осуществлена в симметрии D3. Наблюдалось скачкообразное изменение интенсивности и позиции линий поглощения при реориентационном магнитном фазовом переходе при 4.7K. Было обнаружено и измерено обменное расщепление некоторых возбуждённых состояний. Обменное расщепление изменяется при реориентационном переходе. Изучены поляризованные спектры поглощения и магнитного кругового дихроизма (МКД) монокристалла ErAl3(BO3)4 в интервале 10000-27000 cm-1 при 90 K. Штарковские компоненты расщепления основного и возбуждённого состояний были идентифицированы в терминах неприводимых представлений локальной симметрии D3. Спектры МКД позволили измерить Зеемановские расщепления переходов и, тем самым, определить изменения фактора Ланде при переходах. Спектры МКД позволили также идентифицировать некоторые состояния в представлении функций . Впервые обнаружены аномально интенсивные колебательные повторения f-f переходов. Предложена новая квантово-механическая теория естественной оптической активности (ЕОА), согласующаяся с феноменологической теорией. Эта теория показала принципиальное различие ЕОА разрешённых переходов и запрещённых по чётности f-f переходов. Измерены спектры поглощения и естественного кругового дихроизма (ЕКД) монокристалла ErAl3(BO3)4 в интервале 10000-28200 cm-1 при 90 K. Спектры поглощения и ЕКД были разложены на компоненты Лоренцовой формы, и была определена естественная оптическая активность (ЕОА) f-f переходов. Спектр ЕКД позволил обнаружить существование двух неэквивалентных позиций иона Er3+ в одном из возбуждённых состояний, которые обусловлены локальным изменением симметрии окружения иона Er3+ в возбуждённом состоянии. Обнаружена очень большая ЕОА вибронного перехода, которая объяснена с помощью предложенной нами теории..
(В.А. Гавричков, М.М. Коршунов, Е.И. Шнейдер, С.Г. Овчинников, Ю.С. Орлов, И.А. Макаров)
В рамках развитого ранее поляронного варианта обобщенного метода сильной связи P-GTB выявлен механизм появления температурной зависимости зонной структуры поляронов с сильным электрон-фононным и сильным кулоновским взаимодействием, и показано уширение спектральной функции поляронов на потолке валентной зоны в La2CuO4 с ростом температуры. Продолжено развитие методов кластерной теории возмущений, сочетающей пертурбативные и непертурбативные методы расчета двумерных систем с сильными электронными корреляциями. В рамках кластерной теории возмущений получены спектральные свойства модели Бозе-Хаббарда, описывающей системы ультрахолодных атомов в оптических решетках. Вычислены спиновая и зарядовая восприимчивости в двухзонной модели слоистых сверхпроводников на основе железа. В этой же модели рассчитаны спин-резонансные пики в случае неравных щелей для электронной и дырочной подсистем, проведено сравнение экспериментальных данных по частоте спинового резонанса и величины щели. Подготовлен и опубликован в УФН большой обзор по влиянию примесей на сверхпроводимость пниктидов и халькогенидов железа. Исследовано обменное взаимодействии оптически возбужденных ионов в мотовских диэлектриках. Показано, что межионное обменное взаимодействие изменяет фазовую диаграмму спиновых кроссоверов на плоскости (давление, температура), приводя к фазовым переходам первого рода со скачком магнитного момента и объема при низких температурах. Предложена поляронная модель псевдощелевого состояния в квазиодномерных системах.
(А.С. Федоров, Ф.Н. Томилин)
На основе GGA-DFT расчетов проведены исследования локализованных магнитных моментов внутренних дефектов (вакансий, междоузельных атомов и дефектов Френкеля) обоих видов для объемного материала и тонких нанопленок ZnO в фазе вюрцита. Показано, что внутри ZnO междоузельные атомы кислорода (Oi) или вакансии цинка (Znv), соответственно, индуцируют локализованные магнитные моменты 1,98 и 1,26 µB, величины которых значительно уменьшаются, когда расстояние между дефектами увеличивается. В то же время магнитные моменты дефектов кислорода Френкеля велики (~1,5-1,8 µB) и не зависят от расстояния между дефектами. Источником индуцированного ферромагнетизма внутри объемного ZnO является спиновая плотность на ближайших к дефекту атомах кислорода, ближайшем к дефекту. Наши экспериментальные результаты, проведенные с помощью СКВИД измерений пленок ZnO, подтверждают наши теоретические выводы о том, что происхождение намагниченности ZnO обусловлено Oi или Znv дефектами. Предложен новый метод расчета кинетической стабильности наноструктур при высоких температурах. Из первопринципных расчётов прогнозируется существование графеноподобного гексагонального нитрида хрома (h-CrN) с двумерной структурой, который имеет спин-поляризованную полуметаллическую природу с возможным ферромагнитным упорядочением.
— определение, расчет и ключевые моменты
NTA недавно продлила последнюю дату JEE Main 2020, и это дает студентам возможность заполнить форму заявки, если еще не. Сегодня мы затрагиваем важную тему из основной программы физики JEE, а именно интенсивность магнитного поля.
Магнитная интенсивность
Напряженность магнитного поля (H) в любой точке магнитного поля определяется как сила, действующая на северный полюс устройства в этой точке.Проще говоря, это мера того, насколько сильным или слабым является любое магнитное поле. В системе СИ единица измерения напряженности магнитного поля — Ампер / метр (А / м).
Согласно Дэвиду Джилсу, определение напряженности магнитного поля выглядит следующим образом:
“ Напряженность или напряженность магнитного поля 1 ампер на метр создается в центре одиночной круглой катушки из проводника диаметром 1 метр, когда она несет ток 1 ампер ».
Плотность магнитного потока (B) — это магнитный момент, развиваемый на единицу объема материала при помещении в намагничивающее поле.Связь между плотностью магнитного потока и напряженностью магнитного поля выражается следующим образом:
B = мкГн
Иногда определение интенсивности / плотности магнитного потока и напряженности магнитного поля может сбивать с толку. Плотность магнитного потока — это мера количества магнитных линий потока, которые проходят через точку на поверхности. Он измеряется в теслах и является векторной величиной.
За исключением единиц, B и H одинаковы в вакууме. Разница между ними возникает в намагниченном материале.Внутри магнитного материала полное магнитное поле является результатом B O и B M , созданных за счет намагничивания.
B = B O + B M
= мкГн + мкМ
= μ (H + M)
Петля гистерезисаКогда ферромагнитный образец помещается в намагничивающее поле , он намагничивается магнитной индукцией. При изменении напряженности магнитного поля H магнитная индукция B не изменяется линейно.Проницаемость μ непостоянна и изменяется в зависимости от H., она также зависит от прошлой истории образца.
Если напряженность намагничивающего поля H постепенно уменьшается до нуля, B уменьшается, но по новому пути «ab». Обнаружено, что магнитная индукция B не равна нулю даже после того, как H становится равным нулю. Это означает, что магнит не размагничивается даже после снятия намагничивающего поля. Магнитная индукция, оставшаяся в образце, называется остаточным магнетизмом или удерживающей способностью.
Значение интенсивности H обратного намагничивающего поля, необходимое для того, чтобы остаточный магнетизм образца стал нулевым, называется коэрцитивной силой образца.
Этот график, изображающий соотношение между напряженностью магнитного поля H и плотностью магнитного потока B для материала, помещенного в намагничивающее поле, называется кривой гистерезиса. А замкнутая область «abcdef», которая представляет цикл намагничивания ферромагнитного образца, называется его петлей гистерезиса.
Расчет напряженности магнитного поля в разных точках
- Осевая точка
Сила, прилагаемая северным полюсом магнита в точке P, составляет:
Аналогичным образом сила, действующая со стороны юга полюс в точке P составляет:
Сила магнитного поля в точке P составляет:
B осевое = F — F1
(2l = m, магнитный дипольный момент)
- Экваториальная точка
Когда величины вертикальных составляющих F и F1 отменяются, их горизонтальные составляющие складываются.
So
B equa = Fcosθ + F1cosθ
= 2Fcosθ
=
Если магнит очень короткий,
Ключевые моменты, касающиеся магнитной напряженности- A магнитного поля Интенсивность или сила 1 ампер на метр создается в центре одной круглой катушки из проводника диаметром 1 метр, когда по нему проходит ток 1 ампер.
- Плотность магнитного потока (B) — это магнитный момент, развиваемый на единицу объема материала при помещении в намагничивающее поле.
- В вакууме соотношение между H и B определяется выражением B = мкГн. Где μ — постоянная проницаемости.
- Для магнитного материала, помещенного в магнитное поле, соотношение становится μ (H + M). Где M — магнитный момент на единицу объема.
- Связь между B и H известна как кривая гистерезиса.
- Площадь на кривой B-H отображает энергию, рассеиваемую на единицу объема в материале, когда он проходит через цикл намагничивания.
- Формула напряженности магнитного поля в осевой точке:
- Формула интенсивности магнитного потока в экваториальной точке:
Это все касалось концепции магнитной напряженности.Помните, что это очень важная тема для основного экзамена JEE.
Создайте бесплатную учетную запись, чтобы продолжить чтение
Получите мгновенные оповещения о вакансиях бесплатно!
Получите ежедневный GK и текущие новости Капсула и PDF-файлы
Получите 100+ бесплатных пробных тестов и викторин
Зарегистрироваться бесплатно Уже есть учетная запись? Войти
Next Post
Основы магнитного поля, интенсивность магнитного поля
Основы магнитного поля, интенсивность магнитного поляЭксперименты с магнитами и окружающей средой
Двенадцать основ магнетизма
6.Напряженность магнитного поля, Гн [ампер-виток на метр, Ат / м]
а. Ссылки по теме
http://en.wikipedia.org/wiki/Mintage_field_intensity
б. Что это такое?
Напряженность магнитного поля или напряженность магнитного поля — это отношение MMF, необходимого для создать определенную плотность потока (B) в конкретном материале на единицу длины из этого материала.
г. Свое подразделение
H = Ат / м, ампер-виток на метр. Часто N используется как количество витков провода вокруг сердечника или магнитного материала. Итак, H = Н * л / м.
г. Как это используется?
Это горизонтальная ось кривой B-H для магнитных материалов, и используется для изменения магнитного потока внутри материала путем изменяя ток в соленоиде, таким образом изменяя At (изменяя амперы ампер-витков).
Чтобы определить кривую B-H материала, H изменяется на контроль величины и полярности тока, протекающего в катушке вокруг материала образца, и измеряется B. Есть графики B-H или диаграммы для различных типов сталей и других материалов, используемых для магнитных устройств.
e. Пример в вакууме
Как мы увидим в следующем разделе, для вакуума напряженность поля 796 Ат / м (часто округляется до 800атт / м).создаст поток плотность 1mT = 10G.
Магнитная проницаемость — Электромагнитная геофизика
Магнитная проницаемость — это диагностическое физическое свойство, которое характеризует степень наведенного магнетизма, который материал испытывает под действием внешнего магнитного поля. Магнитная проницаемость важна для различных геофизических исследований, в том числе: ЭМ в частотной области (FDEM), ЭМ во временной области (TDEM), неразорвавшихся боеприпасов (НРБ) и георадаров (GPR).
Учредительные отношения
При воздействии приложенного магнитного поля сбор отдельных магнитные дипольные моменты в большинстве материалов будут пытаться переориентировать сами по направлению поля. Это порождает индуцированный намагниченность, которая способствует чистой плотности магнитного потока внутри материал. Степень влияния наведенной намагниченности Плотность магнитного потока зависит от магнитной проницаемости материала.
Рис.26 Плотность магнитного потока как функция напряженности магнитного поля для различные классификации типов проницаемых пород: диамагнитные, вакуумные, парамагнитные и ферромагнитные.
Магнитная проницаемость \ (\ mu \) определяет соотношение между магнитным потоком плотность \ ({\ bf B} \) внутри материала и интенсивность нанесенного магнитное поле \ ({\ bf H} \); при достаточно слабых полях:
(10) \ [{\ bf B} (\ omega) = \ mu \, {\ bf H} (\ omega) \]В вакууме соотношение между \ ({\ bf B} \) и \ ({\ bf H} \) является задается проницаемостью свободного пространства \ (\ mu_0 = 4 \ pi \ times 10 ^ {- 7} \) H / m.Иллюстрация, представляющая плотность магнитного потока Здесь показаны зависимости от приложенной напряженности поля для различных классификаций горных пород.
Относительная проницаемость
Помимо магнитной проницаемости, часто проявляются магнитные свойства. представлены с использованием относительной проницаемости. Относительная проницаемость характеризует, увеличивает или уменьшает наведенное намагничивание плотность магнитного потока в материале. Относительная проницаемость \ (\ mu_r \) — отношение магнитной проницаемости материала к проницаемость свободного пространства:
(11) \ [\ mu_r = \ frac {\ mu} {\ mu_0} \]Для большинства горных пород наведенная намагниченность параллельна приложенной поле, тем самым увеличивая плотность магнитного потока.Эти скалы характеризуется относительными проницаемостями \ (\ mu_r> 1 \). Родственник проницаемость \ (\ mu_r = 1 \) используется для характеристики материалов, которые неспособен поддерживать наведенное намагничивание. В редких случаях очень маленький намагничивание может быть вызвано в горных породах, которые противостоят приложенному полю, и снижает плотность магнитного потока. Эти породы характеризуются магнитные проницаемости \ (\ mu_r <1 \). Частичное выравнивание магнитных дипольных моментов под действием приложенного поля, и результирующие плотности магнитного потока во всех трех случаях представлены в рисунок ниже.
Рис. 27 Частичное выравнивание магнитных дипольных моментов под действием приложенное магнитное поле для различных случаев. (а) Парамагнитный (\ (\ mu_r> 1 \)). Намагничивание параллельно приложенному полю и увеличивает плотность магнитного потока. (б) непроницаемый (\ (\ mu_r = 1 \)). Не поддерживает наведенное намагничивание. (c) Диамагнитный (\ (\ mu_r <1 \)). Намагничивание слабое и противодействует приложенному магнитному полю, тем самым уменьшая плотность магнитного потока.
Значение для геофизики
Электромагнитные системы с индуктивным источником
В большинстве геологических сред вариации магнитной проницаемости Земли незначительны (\ (\ mu \ sim \ mu_0 \)), а исследования чувствительны только к контрастам в электропроводности Земли.Однако есть множество случаев, когда магнитная проницаемость становится важным диагностическим физическим свойством. Например, некоторые рудоносные породы (магнетит, пирротин) обладают очень высокими магнитными проницаемостями. При использовании электромагнитных систем в частотной (FDEM) и временной (TDEM) области было показано, что большая магнитная проницаемость влияет на измеряемый отклик. Таким образом, отсутствие учета магнитных свойств Земли может привести к неправильной характеристике подземных структур в определенных средах.
Обследование неразорвавшихся боеприпасов
Магнитная проницаемость также является диагностическим физическим свойством для исследований неразорвавшихся боеприпасов (НБ). Невзорвавшийся боеприпас (НРБ) — это боеприпас, который был вооружен, выпущен и остается невзорвавшимся из-за неисправности. Оболочки неразорвавшихся боеприпасов чрезвычайно проницаемы по сравнению с принимающей средой. Этот контраст можно использовать для обнаружения и удаления неразорвавшихся боеприпасов с загрязненных территорий. Магнитные свойства неразорвавшегося боеприпаса также ответственны за получение отчетливых откликов TDEM.
Наземный радар дальнего обнаружения
Магнитная проницаемость действует как вторичное диагностическое физическое свойство в георадарах (GPR). Магнитная проницаемость влияет на отражение, преломление и скорость радиоволновых сигналов при их распространении через Землю.
Магнитная вязкость
Магнитная вязкость относится к дисперсионной магнитной проницаемости, которую демонстрируют латеритные почвы и быстро охлаждаемые базальты. При использовании систем TDEM эти камни производят отклик, который маскирует отклики от неразорвавшихся боеприпасов и глубоко заглубленных проводников.В настоящее время разрабатываются методы моделирования этого явления и его реакции на основе данных, собранных на местах.
Напряженность магнитного поля [Encyclopedia Magnetica]
Напряженность магнитного поля H — физическая величина, используемая как одна из основных мер напряженности магнитного поля. Единица напряженности магнитного поля — ампер на метр или А / м .
С инженерной точки зрения, напряженность магнитного поля $ H $ можно рассматривать как возбуждение, а плотность магнитного потока $ $ B $ — как реакцию среды. Это соглашение об именах определено в системе единиц СИ.
С точки зрения теоретической физики поле $ H $ определяется как векторная разность между плотностью потока $ B $ и намагниченностью $ M $. Поле H иногда называют «вспомогательным» или просто «полем H».
Эти два подхода идентичны в смысле рассматриваемых физических величин (с одними и теми же физическими единицами измерения А / м), но имеют разные названия, и разный акцент делается на их значении и использовании при выводе некоторых уравнений.
Магнитное поле является векторным полем в пространстве и представляет собой вид энергии, полная количественная оценка которой требует знания векторных полей как напряженности магнитного поля $ H $, так и плотности потока $ B $ (или других значений, связанных с ними, например, намагниченности ). M или поляризация J ).В вакууме в каждой точке векторы $ H $ и $ B $ ориентированы в одном направлении и прямо пропорциональны проницаемости свободного пространства, но в других средах они могут быть несовмещены (особенно в неоднородных или анизотропных материалах).
Требование двух величин аналогично, например, электричеству. И электрическое напряжение $ V $, и электрический ток $ I $ требуются для полной количественной оценки воздействия электричества, например количество переданной энергии.
Имя напряженность магнитного поля и символ $ H $ определены Международным бюро мер и весов (BIPM) как одна из когерентных производных физических единиц. Следовательно, строго говоря, другие названия, такие как напряженность магнитного поля или магнитное поле (или даже просто поле ), которые можно встретить на повседневном техническом жаргоне , неверны, если они используются при обращении к удельное значение H в А / м.
В литературе используется множество других названий: напряженность магнитного поля H , магнитное поле H , поле H , поле H ‘ , напряженность H-поля , H-поле , напряженность поля намагничивания H , напряженность поля намагничивания H , сила намагничивания H , магнитная сила H , интенсивность магнитной силы H , вспомогательное поле H и, вероятно, несколько других.
| Полезная страница? Поддержите нас! Все, что нам нужно, это всего за 0,25 доллара в месяц. Давай … |
Плотность магнитного потока B
Плотность магнитного потока B — это отдельная физическая величина с разными физическими единицами в системе СИ. H и B связаны таким образом, что:
Намагниченность M представляет ориентацию субатомных магнитных дипольных моментов на единицу объема, а магнитная поляризация J равна M , масштабированная проницаемостью вакуума.
В общем случае все три вектора B , H и J (или B , H и M ) могут указывать в разных направлениях (как показано на рисунке для анизотропного материала). , но всегда так, чтобы выполнялась векторная сумма в приведенном выше уравнении.
Для одноосного намагничивания уравнение можно упростить до скалярной формы, которая широко используется в инженерных приложениях:
| $$ B = μ_0 · μ_r · H = μ · H $$ | (T) |
Относительная магнитная проницаемость $ μ_r $ является показателем качества магнитомягких материалов и имеет значения, значительно превышающие единицу.
Для магнитотвердых материалов $ μ_r \ приблизительно $ 1, и это гораздо менее важный параметр.
Для немагнитных материалов также $ μ_r \ приблизительно $ 1, но таких, что парамагнетики слабо притягиваются к любой полярности магнитного поля ($ μ_r $ немного больше единицы), а диамагнетики всегда слабо отталкивают его ($ μ_r $ немного меньше, чем единство). В зависимости от точки зрения сверхпроводники могут быть классифицированы как идеальные диамагнетики, для которых $ μ_r $ = 0, и, таким образом, они довольно сильно отталкиваются от магнитного поля, достаточного для магнитной левитации.
Затруднение с определением
Трудно дать краткое определение такой базовой величины, как магнитное поле, но разные авторы дают хотя бы описательную версию. То же относится и к напряженности магнитного поля , а также к другой базовой величине — плотности магнитного потока .
В таблице ниже приведены некоторые примеры определений $ H $, приведенные в литературе (указаны точные цитаты).
| Публикация | Определение магнитного поля | Определение напряженности магнитного поля $ H $ | Определение плотности магнитного потока $ B $ |
|---|---|---|---|
| р.Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс Лекции Фейнмана по физике | Во-первых, мы должны несколько расширить наши представления об электрических и магнитных векторах, E и B . Мы определили их с точки зрения сил, которые ощущаются зарядом. Теперь мы хотим поговорить об электрических и магнитных полях в точке, даже когда нет никакого заряда. По сути, мы говорим, что, поскольку на заряд «действуют» силы, то после того, как заряд удален, все еще есть «что-то».2 $ в виде нового числа 1 / μ 0 | Мы можем записать силу F, действующую на заряд q, движущийся со скоростью v, как $$ \ mathbf {F} = q (\ mathbf {E} + \ mathbf {v} × \ mathbf {B}) $$ Мы называем E электрическим полем, а B магнитным полем в месте нахождения заряда. | |
| Ричард М. Бозорт Ферромагнетизм | Магнит будет притягивать кусок железа, даже если они не находятся в контакте, и это действие на расстоянии, как говорят, вызвано магнитным полем. , или силовое поле. | Напряженность силового поля, напряженность магнитного поля или сила намагничивания H могут быть определены в терминах магнитных полюсов: в одном сантиметре от единичного полюса напряженность поля равна одному эрстеду. | Фарадей показал, что некоторые свойства магнетизма можно уподобить потоку, и задумал бесконечные линий индукции , которые представляют направление и, по их концентрации, поток в любой точке. […] Общее количество линий, пересекающих данную область под прямым углом, является потоком в этой области.Поток на единицу ара — это плотность потока, или магнитная индукция , , и обозначается символом B. |
| Дэвид К. Джайлс Введение в магнетизм и магнитные материалы | Одна из самых фундаментальных идей в магнетизме — это концепция магнитного поля. Когда поле создается в объеме пространства, это означает, что происходит изменение энергии этого объема, и, кроме того, существует градиент энергии, так что создается сила, которую можно обнаружить по ускорению электрического заряда, движущегося в поле за счет силы, действующей на проводник с током, крутящего момента на магнитном диполе, такого как стержневой магнит, или даже путем переориентации спинов электронов в определенных типах атомов. | Существует несколько способов определения напряженности магнитного поля H. В соответствии с развитыми здесь идеями мы хотим подчеркнуть связь между магнитным полем H и генерирующим электрическим током. […] Самое простое определение выглядит следующим образом. Ампер на метр — это напряженность поля, создаваемая бесконечно длинным соленоидом, содержащим n витков на метр катушки и пропускающим ток 1 / n ампер. | Когда магнитное поле H создается в среде током, в соответствии с законом Ампера, реакция среды — это ее магнитная индукция B, также иногда называемая плотностью потока. |
| Магнитное поле , Британская энциклопедия | Магнитное поле, область вблизи магнитного, электрического тока или изменяющегося электрического поля, в которой наблюдаются магнитные силы. | Магнитное поле H можно рассматривать как магнитное поле, создаваемое током в проводах […] | […] магнитное поле B [можно рассматривать] как полное магнитное поле включая также вклад магнитных свойств материалов в поле. |
| Э.М. Перселл, Д.Дж. Morin, Электричество и магнетизм | Это взаимодействие токов и других движущихся зарядов можно описать путем введения магнитного поля. […] Мы предлагаем и дальше называть $ \ mathbf {B} $ магнитным полем. | Если теперь определить вектор-функцию $ \ mathbf {H} (x, y, z) $ в каждой точке пространства соотношением $$ \ mathbf {H} \ Equiv \ frac {\ mathbf { B}} {μ_0} — \ mathbf {M} $$ […] Что касается $ \ mathbf {H} $, хотя для него были придуманы другие названия, мы будем называть его полем $ \ mathbf {H} $, или даже магнитное поле $ \ mathbf {H} $. | […] любая движущаяся заряженная частица, оказавшаяся в этом поле, испытывает силу […], заданную формулой $$ \ mathbf {F} = q · \ mathbf {E} + q · \ mathbf {v} × \ mathbf {B} $$ […] Мы возьмем уравнение как определение $ \ mathbf {B} $. |
Аналогия с электрическими цепями
Электросхема
На фундаментальном уровне все электричество связано с наличием и движением электрических зарядов, поэтому знания их положения будет достаточно для полной количественной оценки всех электрических эффектов, включая электрическое поле.Однако на практике гораздо проще работать с непосредственно измеряемыми величинами, такими как ток $ I $ и напряжение $ V $.
С макроскопической точки зрения значения $ I $ и $ V $ требуются для полной количественной оценки воздействия электричества в электрических цепях. В цепях постоянного тока пропорциональность между $ V $ и $ I $ продиктована электрическим сопротивлением $ R $ данной среды (согласно закону Ома), так что $ V = R · I $.
Произведение $ V $ и $ I $ пропорционально мощности $ P $ и энергии $ E $ в данной электрической цепи.
Магнитная цепь
По аналогии и напряженность магнитного поля $ H $, и плотность магнитного потока $ B $ (или их представление другими связанными переменными) необходимы для количественной оценки эффектов магнетизма в магнитных цепях. Пропорциональность между $ H $ и $ B $ диктуется магнитной проницаемостью $ μ $ данной среды.
Все эффекты магнитного поля также связаны с движением и внутренними свойствами электрических зарядов. Зная эти свойства (такие как спиновый магнитный момент) и детали движения зарядов (с учетом релятивистских эффектов), можно было бы полностью описать магнитное поле.Однако на практике гораздо проще, особенно с инженерной точки зрения, использовать непосредственно измеряемые величины, такие как $ H $ и $ B $, для количественной оценки мощности и энергии в данной магнитной цепи.
В стационарных условиях произведение $ H $ и $ B $ является мерой удельной энергии в Дж / м 3 , накопленной в магнитном поле, содержащемся в данной среде. Произведение $ B · H $ (количество накопленной энергии) используется, например, для классификации постоянных магнитов.
H за счет электрического тока
Амплитуда напряженности магнитного поля $ H $ уменьшается с удалением от проводника с электрическим током $ I $.S. Zurek, E-Magnagneta.pl, CC-BY-4.0
С макроскопической точки зрения поля можно рассматривать как усредненные по некоторому объему материала, а их величины могут быть связаны с измеряемыми сигналами, такими как ток или напряжение.Поэтому этот подход широко используется в инженерии.
$ H $ всегда генерируется вокруг электрического тока $ I $, который может быть твердым проводником с током или просто движущимся электрическим зарядом (также в свободном пространстве). Направление вектора $ H $ перпендикулярно направлению генерирующего его тока $ I $, и предполагается, что значения векторов подчиняются правилу правой руки. Можно сказать, что H «циркулирует» вокруг текущего I .
Без других источников магнитного поля и в однородной и изотропной среде генерируемая напряженность магнитного поля $ H $ зависит только от величины и направления электрического тока $ I $ и задействованных физических размеров (например, длины и диаметра проводника и т. Д. .), поэтому согласно закону Ампера пропорциональность определяется длиной магнитного пути $ l $:
| $$ \ int_C \ vec {H} · d \ vec {l} = I $$ | (A) |
| где: C — замкнутый путь, по которому вычисляется интеграл, $ dl $ — бесконечно малый фрагмент длины магнитного пути (м), $ I $ — ток (А) | |
В линейной изотропной среде значения из различных источников объединяются и могут быть вычислены на основе суперпозиции источников.Для простых геометрических случаев значение $ H $ можно вычислить аналитически, но для очень сложных систем можно выполнить вычисления, например, с помощью конечно-элементного моделирования.
Связь между $ H $ и $ I $ часто показывают с помощью закона Био-Савара или закона Ампера. Часто (но не всегда ) оба из них указываются с переменной плотностью потока $ B $, так что проницаемость среды автоматически принимается во внимание.
Во многих примерах, приведенных в литературе, есть неявное предположение (обычно не указываемое), что вывод выполняется для вакуума, а не для произвольной среды с другой проницаемостью .Когда проницаемость $ μ_0 $ уменьшается в уравнениях с обеих сторон, тогда $ H $ пропорционально только $ I $, и это верно для любой однородной изотропной среды с любой проницаемостью, даже нелинейной.
Ситуация несколько иная для анизотропной или прерывистой среды. Они могут привести к появлению дополнительных источников магнитного поля, поскольку возбужденная среда может генерировать новые магнитные полюса, и эти полюса необходимо учитывать для точного описания распределения $ H $.Например, полюсные наконечники в электромагните влияют на $ H $, распределение которого больше не определяется только катушками с электрическим током.
H в связи с M и B
Микроскопическая точка зрения часто используется в теоретической физике.
Каждый атом реагирует на приложенное извне магнитное поле B некоторой намагниченностью M , которая определяется как векторная сумма магнитных моментов на данный объем. «Вспомогательное» магнитное поле H тогда определяется как как разность векторов между приложенным магнитным полем B и намагниченностью M :
Для возбуждения постоянного тока в немагнитных или магнитных, но изотропных материалах векторы B и H параллельны.Для ферромагнетика (и других упорядоченных структур) кристалл или анизотропия формы может вносить значительный угол между двумя векторами.
Уравнения Максвелла
Уравнения Максвелла обычно задаются относительно плотности магнитного потока B , потому что в этой форме они действительны в более общих условиях.
Однако при определенных условиях их также можно выразить по отношению к H . Этот подход широко используется в численных расчетах, таких как моделирование методом конечных элементов (FEM), где прямая связь между электрическим током (выраженным плотностью тока Дж ) и H используется через закон Ампера как для решений. и формулировки граничных условий.
| Пример обозначений, используемых в документации FEM (после ссылки ) | |
|---|---|
| $$ \ nabla · \ mathbf {D} = ρ $$ | $$ \ nabla · \ mathbf {B} = 0 $$ |
| $$ \ nabla \ times \ mathbf {E} = — \ frac {\ partial \ mathbf {B}} {\ partial t} $$ | $$ \ nabla \ times \ mathbf {H} = \ mathbf {J} + \ frac {\ partial \ mathbf {D}} {\ partial t} $$ |
H в электромагнитных волнах
В вакууме при отсутствии зарядов и токов уравнения Максвелла упрощаются, и их можно записать либо относительно плотности магнитного потока B (как показано в таблице ниже), либо напряженности магнитного поля H .Это может быть сделано из-за линейности вакуума (или другой немагнитной среды), которая не имеет свободных зарядов, поэтому нет дополнительных электрических токов, которые необходимо учитывать. Формат с B действителен в более общих условиях.
| Уравнения Максвелла в вакууме (в дифференциальной форме) | |||
|---|---|---|---|
| магнитное поле, представленное H | магнитное поле, представленное B | ||
| $$ \ text {div} \ mathbf {E} = 0 $$ | $$ \ text {div} \ mathbf {H} = 0 $$ | $$ \ text {div} \ mathbf { E} = 0 $$ | $$ \ text {div} \ mathbf {B} = 0 $$ |
| $$ \ text {curl} \ mathbf {E} = — \ mu_0 · \ frac {\ partial \ mathbf {H}} {\ partial t} $$ | $$ \ text {curl} \ mathbf { H} = \ epsilon_0 · \ frac {\ partial \ mathbf {E}} {\ partial t} $$ | $$ \ text {curl} \ mathbf {E} = — \ frac {\ partial \ mathbf {B} } {\ partial t} $$ | $$ \ text {curl} \ mathbf {B} = \ mu_0 · \ epsilon_0 · \ frac {\ partial \ mathbf {E}} {\ partial t} $$ |
В вакууме два обозначения, B или H , в точности эквивалентны, причем последнее довольно популярно для анализа излучения от антенн. Например, используя вектор Пойнтинга, который представляет мощность, как произведение электрического поля E в В / м и магнитного поля H в А / м, результат будет В · А / м 2 или Вт / м 2 (удельная мощность).
Определение H с силой
В литературе показано, что напряженность магнитного поля в данной точке пространства можно определить как механическую силу, действующую на единичный полюс в данной точке. Однако для расчета силы требуется $ B $, что зависит от свойств среды.Действительно, в первоначальном эксперименте, проведенном Био и Саваром, были задействованы физические силы, действующие на провода.
Силы, действующие на два намагниченных тела, будут разными, если они помещены в кислород (который является парамагнитным) или в воде (который является диамагнитным). Эта разница будет прямо пропорциональна относительной проницаемости задействованных сред. Однако $ H $, образующееся вокруг проволоки, будет таким же (пока среда однородна и изотропна).
Величина магнитной силы (сила Лоренца) всегда пропорциональна плотности потока $ B $.
Поколение H
Известные значения H получены с использованием упомянутых выше законов Ампера или Био-Савара. Если релятивистские эффекты можно не учитывать, то пропорциональность в точности прямая, так что мгновенные значения напряженности магнитного поля $ H $ соответствуют мгновенным значениям приложенного тока $ I $:
| $$ H (t) = c · I (t) $$ | (А / м) |
| где: $ c $ — коэффициент пропорциональности заданного контура (1 / м) | |
При определенных условиях генерируемое магнитное поле можно рассчитать настолько точно, что его можно будет использовать для калибровки других датчиков или определения значений, как рекомендовано BIPM.
Два типичных устройства, которые можно использовать для получения известных значений H , — это соленоид и катушка Гельмгольца. Их можно использовать даже в комбинированной установке, в которой внешние катушки Гельмгольца компенсируют магнитное поле Земли (или другие нежелательные источники), а внутренний соленоид генерирует точно известное магнитное поле.
Соленоид
В соленоиде часто используется источник известного значения напряженности магнитного поля H , которое можно вычислить для его геометрического центра (черная точка).С.Журек, E-Magnagneta.pl, CC-BY-4.0
В бесконечно длинном однородном соленоиде значение H на его оси зависит только от значения тока в катушке и количества витков на единицу длины.
Для соленоида конечной длины магнитное поле в его геометрическом центре можно рассчитать, как в приведенном ниже уравнении. Для «тонкого» (диаметр проволоки намного меньше диаметра катушки) и «длинного» (диаметр катушки намного меньше ее длины $ d \ ll l $) соленоида уравнение упрощается:
| $$ H_ {center} = \ frac {N · I} {\ sqrt {l ^ 2 + d ^ 2}} \ приблизительно \ frac {N · I} {l} $$ | (А / м ) |
| где: $ N $ — общее количество витков в соленоиде (безразмерное), $ I $ — ток (А), $ l $ — длина соленоида (м), $ d $ — диаметр соленоида (м) | |
Если толщина провода в соленоиде значительна или в катушке много слоев, в уравнение требуются некоторые дополнительные поправочные члены.
Катушка Гельмгольца
Другой широко используемый источник H — это катушка Гельмгольца . Устройство состоит из двух идентичных катушек, напоминающих кольцевые токовые петли, расположенных параллельно на одной оси и разделенных точно по радиусу круга.
Для двух катушек, каждая с радиусом r и каждая содержит количество витков N каждая , значение магнитного поля в геометрическом центре может быть рассчитано как:
| $$ H_ {center} = \ frac {N_ {each} · I · \ sqrt {0.3}} {2 · r} \ приблизительно \ frac {0,35777 · N_ {total} · I} {r} $$ | (А / м) |
| где: $ N_ {each} $ — количество витков каждой катушки (без единиц измерения), $ N_ {total} $ — общее количество витков обеих катушек (без единиц измерения), $ I $ — ток (A), $ r $ — радиус каждой катушки и расстояние между ними (м) | |
Также используются формы, отличные от круглой (например, квадратные), но за счет однородности полученного распределения поля.
Набор из трех больших ортогональных катушек Гельмгольца, используемых для компенсации магнитного поля Земли в 3DС.Журек, E-Magnagneta.pl, CC-BY-4.0
Магнитопровод с малым зазором
Закон Ампера связывает интеграл вокруг замкнутого пути с током, заключенным на таком пути.
Это соотношение широко используется в технике, где используется концепция магнитодвижущей силы (произведение тока и витков катушки, выраженное в ампер-витках). Для простой магнитной цепи с одним воздушным зазором можно записать, что:
| $$ N · I = H_ {core} · l_ {core} + H_ {gap} · l_ {gap} $$ | (A-витки) ≡ (A) |
| где: $ N $ — количество витков обмотки (безразмерное), $ I $ — ток (А), $ H_ {core} $ — H в сердечнике (А / м), $ l_ { core} $ — длина сердечника (м), $ H_ {gap} $ — H в воздушном зазоре (А / м), $ l_ {gap} $ — длина воздушного зазора (м) | |
В магнитопроводе с относительно небольшим воздушным зазором значение плотности магнитного потока таково, что $ B_ {gap} \ приблизительно B_ {core} $.Однако значение H , необходимое для поддержки некоторого значения B , масштабируется с помощью обратной величины относительной проницаемости. Следовательно, для магнитного материала с большой проницаемостью это приводит к условию $ H_ {core} \ ll H_ {gap} $, а также к $ H_ {core} · l_ {core} \ ll H_ {gap} · l_ {gap} · l_ {gap } $, и поэтому важны только члены, относящиеся к воздушному зазору. Это позволяет упростить уравнение как:
| $$ H_ {gap} \ приблизительно \ frac {N · I} {l_ {gap}} $$ | (А / м) |
| где: $ N $ — количество витков обмотки (безразмерное), $ I $ — ток (А), $ l_ {gap} $ — длина воздушного зазора (м) | |
Однако для более сложных магнитных цепей необходимо учитывать такие эффекты, как магнитная окантовка или магнитная энергия, запасенная в материале, и это можно сделать с помощью численных методов, таких как моделирование методом конечных элементов.
Добавление воздушного зазора позволяет накапливать в нем энергию. Петля B-H «разрезана», увеличивая рабочий диапазон до более высоких H . Эти эффекты широко используются, например, в обратноходовых трансформаторах.
Размагничивающее поле
Магнитное поле создается не только электрическими токами, но также магнитными моментами, которые могут накапливать магнитную энергию, например, при выравнивании из-за ранее примененного процесса намагничивания. Набор таких собственных магнитных моментов составляет намагниченность $ M $ и становится источником магнитного поля, как это имеет место в постоянных магнитах.Если создаются магнитные полюса, то считается, что силовые линии магнитного поля ($ H $) направлены от северного к южному полюсу.
Силовые линии магнитного поля замыкаются через среду, окружающую магнит, но также и через сам магнит в направлении, противоположном намагниченности $ M $, тем самым снижая эффективную намагниченность тела, что является причиной того, что этот эффект называется эффектом магнитного поля. размагничивающее поле $ H_d $.
Эффект можно количественно оценить с помощью безразмерного коэффициента размагничивания $ N_d $, который пропорционален намагничиванию и зависит от размеров тела, так что для очень длинных конструкций или для магнитозамкнутых цепей $ N_d = 0 $ и для тонкие плоские конструкции бесконечных размеров, намагниченные перпендикулярно поверхности $ N_d = 1 $.
Значение коэффициента размагничивания можно рассчитать аналитически для эллипсоидов и других очень простых геометрических фигур, а также для сферы $ N_d = 1/3 $.
| $$ H_d = — N_d · M $$ | (А / м) |
| где: $ N_d $ — коэффициент размагничивания (безразмерный), $ M $ — намагничивание (А / м) | |
На рисунке показан постоянный магнит, намагниченный однородной массой M (или J ), окруженный вакуумом.Линии магнитного поля показаны отдельно для каждого поля: M , H и B , что является векторной суммой M и H .
Размагничивающее поле H d направлено в противоположном направлении, но оно неоднородно, потому что некоторый магнитный поток замыкается также через внешнюю часть тела (где M = 0 и J = 0).
В результате внутри корпуса B также неоднороден и по величине B < J .
Вне тела силовые линии B и H имеют одинаковую форму, поскольку в вакууме две векторные величины отличаются только скалярной постоянной проницаемости вакуума μ 0 (обе M и J равны нулю).
На этой иллюстрации также показано, что на границе между двумя средами с разными значениями проницаемости для H сохраняется тангенциальная составляющая H t , а для B сохраняется нормальная составляющая B t .
Измерение H
Значение H нельзя измерить напрямую, но его можно получить другими способами.
В некоторых магнитных измерительных системах пропорциональность току используется явно, как, например, в таких устройствах, как рама Эпштейна, тестер одного листа или тороидальный образец. Измеряемая величина — это ток (например, с помощью шунтирующего резистора), и H рассчитывается исходя из него.
В некоторых других приложениях можно использовать принцип, согласно которому тангенциальный компонент H не изменяется на границе раздела двух материалов.Следовательно, измеряя тангенциальную составляющую магнитного поля прямо на поверхности образца, можно узнать о поле непосредственно под поверхностью. Однако такое измерение основывается на предположении, что соотношение B-H внутри датчика является линейным, поскольку работа чувствительной катушки основана на законе индукции Фарадея, в котором измеренное значение представляет собой плотность магнитного потока B . Обычно это достигается за счет использования немагнитного материала в качестве каркаса, на который намотана Н-катушка.Сигнал в катушке индуцируется пропорционально B в H-катушке, но из-за линейности его можно пересчитать, чтобы извлечь информацию о H . Другие детекторы, такие как потенциометр Роговского-Чаттока или датчик Холла, также могут использоваться для обнаружения тангенциальной составляющей H , но они также измеряют количество B , которое затем можно пересчитать и выразить как H .
Энергия и плотность энергии
Плотность энергии $ E_d $ запасенной в магнитном поле в данном материале энергии может быть рассчитана как:
| $$ E_d = \ int H · дБ $$ | (Дж / м 3 ) |
который для материала с линейными характеристиками, включая высокоэнергетические постоянные магниты, можно упростить до:
| $$ E_d = \ frac {H · B} {2} $$ | (Дж / м 3 ) |
Следует отметить, что последнее уравнение выше охватывает как приложенное поле, так и реакцию материала на намагничивание (независимо от того, какая величина считается «основной», B или H ).
Однако в немагнитных материалах, для которых $ μ_r $ ≈ 1, можно записать, что:
| $$ B = μ_0 · H $$ | (T) | и | $$ \ frac {B} {μ_0} = H $$ | (А / м) |
Следовательно, можно сделать такую замену, которая исключает одну из переменных, делая плотность энергии пропорциональной квадрату либо только B , либо только H . В зависимости от публикации используются обе формы, часто не содержат неявного предположения о $ μ_r $ ≈ 1.2} {2} $$
Петля гистерезиса и потеря мощности
Магнитомягкие материалы используются для преобразования энергии в режимах переменного или импульсного намагничивания. Энергоэффективность магнитной цепи зависит от мощности, потерянной в данном магнитном материале.
Для одного цикла намагничивания (для времени от 0 до T ) полная энергия, потерянная в материале, пропорциональна площади отслеживаемой петли B-H (петли гистерезиса).T \ left (\ frac {dB} {dt} · H \ right) dt $$
Удельная потеря мощности является важным показателем качества магнитомягких материалов и, например, является основой классификации электротехнических сталей.
Из-за условий эксплуатации такие контуры B-H измеряются в условиях синусоидального напряжения, которое также обеспечивает синусоидальное напряжение B .Форма волны H может сильно искажаться, особенно когда материал работает близко к насыщению. Этот эффект отвечает, например, за пусковой ток в трансформаторах.
Модели петли B-H
Существует несколько аналитических, статистических и численных моделей, которые используются для математического описания траекторий петли B-H с целью «прогнозирования» поведения материала в заранее определенных или произвольных условиях намагничивания.Общие магнитные потери могут быть рассчитаны, поскольку реальные контуры B-H представляют такие общие потери, а модели пытаются представить нелинейные траектории таких контуров.
Такие модели, как Jiles-Atherton или Preisach, используют H в качестве независимой переменной, представляющей приложенное возбуждение, как это диктуется законом оборота Ампера.
Коэрцитивность
Коэрцитивная сила H c определяется как точка, в которой петля гистерезиса пересекает горизонтальную ось ( B или J или M = 0), измеренная для данного материала.Значения коэрцитивной силы используются для широкой классификации магнитных материалов на: мягкие ( H c <1 кА / м), твердые ( H c > 100 кА / м) и полутвердые (1 кА < H c <100 кА / м).
Коэрцитивность связана с количеством энергии, которое требуется для намагничивания (и размагничивания) данного магнитного материала. Магнитомягкие материалы имеют узкую петлю B-H, они легко намагничиваются и поэтому имеют низкие значения коэрцитивной силы.
В высокоэнергетических постоянных магнитах значения коэрцитивной силы очень высоки (широкая петля гистерезиса), и из-за значительных различий между значениями плотности магнитного потока B и магнитной поляризации J можно выделить два значения коэрцитивной силы: J H c и B H c . Для таких магнитов почти прямая линия, проходящая от точки коэрцитивности B H c до точки остаточной силы B r , обозначает рабочие условия магнита в данной магнитной цепи. Приложение магнитного поля, превышающего коэрцитивную силу, может навсегда размагнитить даже высокоэнергетический магнит. Для магнитов с меньшей энергией размагничивание может происходить даже при полях ниже коэрцитивной силы.
В магнитомягких материалах при нормальных условиях эксплуатации (значительно ниже насыщения) $ B \ приблизительно J $ и, следовательно, измеряется только одно значение коэрцитивной силы H c (потому что J H c ≈ B H c ).
См. Также
Список литературы
3) , 30) , 39) , 40) , 41) , 68) , 69) , 70) , 74) Дэвид Джайлс, Введение в магнетизм и магнитные материалы, Chapman and Hall, 1991, ISBN 9780412386404, стр. 1-13 4) , 38) , 76) , 79) , 80) , 81) , 82) , 83) , 88) , 92) С.Зурек, Характеристика мягких магнитных материалов при вращательной намагниченности, CRC Press, 2019, ISBN 9780367891572 5) , 27) , 37) , 45) , 66) , 77) , 89) , 90) Славомир Тумански, Справочник по магнитным измерениям, CRC Press / Taylor & Francis, Boca Raton, FL, 2011, ISBN 9780367864958 6) , 14) , 16) , 26) , 34) , 46) , 48) , 58) , 63) Э.М. Перселл, Д.Дж. Морин, Электричество и магнетизм, 3-е издание, Cambridge University Press, 2013, ISBN 9781107014022 20) , 21) Райнер Хильцингер, Вернер Родевальд, Магнитные материалы, основы, продукты, свойства, применения, VAC Vacuumschmelze, Publicis, 2013, ISBN 9783895783524 71) , 72) , 73) А. Козловский, Р. Рыгал и С. Журек, Большой электромагнит постоянного тока для полупромышленной термомагнитной обработки нанокристаллической ленты, IEEE Transactions on Magnetics, 50 (4), стр.1-4, 2014 г., ст. 8000404, DOI 10.1109 / TMAG.2013.2288322
Гаусс. Сила магнитного поля — Блог Магниты
Гаусс — это не что иное, как единица измерения силы магнитного поля и гауссметр прибор, используемый для этого измерения. Чем выше число Гаусса, тем большую силу будет иметь магнитное поле, поэтому тем большее расстояние будет достигнуто от окружающего магнита.Эта мера — то, что мы обычно находим в магнитных продуктах, предназначенных для применения в медицине и здравоохранении. В тех магнитотерапевтических устройствах.
имя Гаусс происходит от немецкого астронома, а также физика и математик по имени Иоганн К. Фридрих Гаусс, родившийся в 1777 г. и умерший в 1885. Гаусс, каким мы его знаем сегодня, можно назвать единицей, с которой измеряется интенсивность магнитного потока. Однако мы должны указать, что другая единица измерения магнитного поля — Тесла, которая измеряет интенсивность магнитного потока аналогичным образом.Обычно это происходит в квадратный метр. В общих чертах применяется следующее преобразование для определения что 1 Тесла составляет около 10 000 Гаусс.
Можно сказать, что магнитное поле Земли 0,5 Гаусс. С другой стороны, небольшой магнит может достигать 100 Гауссов, а если это неодим, — до 2000 Гаусс. Чтобы вычислить значение Гаусса в магните, рекомендуется делать это на поверхности, так как это намного более справедливо, чем с точностью до нескольких миллиметров.
На поверхности значение Гаусса магнита более точное. чем несколько миллиметров.По этой причине мы указываем, что значение Гаусса зависит от расстояния между магнитом и местом приложения. В расстояние магнитного потока, рассчитанное в гауссах, уменьшается в зависимости от есть ли расстояние больше или меньше.
Большинство магнитов, даже самых маленьких, имеют на поверхность. Но в зависимости от силы намагничивания возможно, что один магнит генерирует только 100 Гаусс на расстоянии 10 мм, в то время как другой способен генерировать 1000 Гаусс.
Это Важно отметить, что некоторые производители указывают количество единиц Гаусса в магниты, которые могут быть достигнуты только в том случае, если этот магнит достигает короткого замыкания состояние и только при наличии небольшого воздушного зазора между Северным полюсом и Югом. Полюс.Мы должны знать, что это значение не может быть достигнуто на поверхности или с помощью магнит, который действует более независимо.
В IMA мы стараемся правильно и реалистично информировать всех наших клиентов об измерениях, силе и мощности магнитов. Точно и с максимальной прозрачностью сообщая всем нашим клиентам информацию, чтобы они всегда знали, какие продукты они покупают и каких результатов можно ожидать в зависимости от того, что они приобрели.Мы знаем, что многие компании не действуют таким же образом, и что иногда информация, предлагаемая другими, кажется, по крайней мере теоретически, более привлекательной, потому что ярлык, который они предоставляют, существенно приукрашен. Мы предпочитаем, чтобы полученная информация была как можно более точной, чтобы ожидания были реальны и соответствовали тому, что будет получено. В любом случае, прежде чем сомневаться, мы всегда рекомендуем вам проконсультироваться с нами и спросить нас столько раз, сколько вы сочтете необходимым. Мы привержены нашим клиентам, и нам нравится внимание, которое вы получаете от , чтобы соответствовать нашим продуктам.Итак, если какая-либо информация неясна или не разрешает ваши сомнения, не стесняйтесь обращаться к вам, чтобы устранить любые сомнения. Мы будем рады помочь вам
Напряженность электрических и магнитных полей от линий электропередач в деловом районе 60 населенных пунктов Онтарио
Электрические и магнитные поля были измерены летом 1998 года на юге центральной части Онтарио в деловом районе, состоящем из 60 населенных пунктов, размером от 1000 до 2.3 миллиона человек. Средняя плотность магнитного потока для 60 сообществ составила 5,8 мГс. Сообщества с большим населением обычно имели более высокую плотность магнитного потока, чем сообщества с меньшим населением. Сообщества с населением более 100 000, от 50 000 до 100 000, от 10 000 до 50 000 и менее 10 000 имели среднюю плотность магнитного потока 14, 7, 4 и 2,4 мГс соответственно. Город Кингстон с населением 123000 человек имел самую высокую среднюю плотность магнитного потока (47 мГс), в то время как у Беркс-Фоллс с населением 1000 человек была самая низкая (0.8 мГ). Более 90% участков, измеренных в Кингстоне, Торонто, Ошаве, Лондоне, Пикеринг-Виллидж и Беллвилле, были выше 2 мГ, нижнего предела, связанного с раком у детей. Только в одном районе (Burks Falls) все измерения в деловом районе были ниже 2 мГс. Были обнаружены суточные колебания магнитного поля (но не электрического поля), при этом самые высокие значения полей были измерены в рабочее время. Для электрических полей среднее значение для 60 сообществ составило 3,2 В / м. Электрические поля в целом были низкими.В восьми населенных пунктах максимальная напряженность поля превышала 30 В / м, и все они были связаны с воздушными проводами. В более крупных населенных пунктах с подземными распределительными линиями электрические поля были низкими или необнаруживаемыми (<0,1 В / м), но магнитные поля часто были высокими. Высокие электрические поля обычно ассоциировались с низкими магнитными полями, но эта взаимосвязь не была достаточно надежной, чтобы можно было предсказывать одно из другого. Данные для делового района, измеренные в рабочее время, кажутся относительно согласованными как для электрического поля, так и для плотности магнитного потока за двухлетний период.Для облегчения сравнений сообществ предлагаются две схемы классификации, которые можно использовать независимо или в комбинации. Один основан на средней интенсивности полей (FI), а другой - на проценте измерений, превышающих критический предел (CL), имеющий биологическое значение. Критическое значение 5 В / м предлагается для электрических полей и 2 мГс для магнитных полей. Обе схемы классификации используют аналогию светофора для воздействия (зеленый - низкий, желтый - средний, красный - высокий) с дополнительной категорией (черный) для очень сильного воздействия.Эта система классификации облегчает передачу информации и может быть легко понятна и использована общественностью, коммунальными службами, политиками и теми, кто хочет практиковать осмотрительное избегание.
Интенсивность магнитной индукции B и интенсивность магнитной поляризации J
Практика и теория доказали, что когда ферромагнитное или ферримагнитное вещество намагничивается в магнитном поле, в дополнение к магнитному полю в веществе, поскольку атомный магнитный момент ферромагнетика поворачивается в направлении внешнего магнитного поля, оно создает дополнительное магнитное поле M внутри вещества.Сумма внешнего магнитного поля и дополнительного магнитного поля в это время называется интенсивностью магнитной индукции магнита .
Интенсивность магнитной индукции B Интенсивность магнитной индукции B представляет собой полное магнитное поле, ощущаемое магнитом, и представляет собой сумму внешнего магнитного поля H и индуцированного магнитного поля M в это время.
В вакуумной среде интенсивность магнитной индукции пропорциональна внешнему магнитному полю, то есть B = μ0H, где μ0 — проницаемость вакуума, а μ0 = 4π × 10-7H / м (Генри / м).Интенсивность магнитной индукции внутри магнита равна B = μ0 (H + M), а единица B — тесла (Тл). В системе единиц Гаусса единицей измерения является Гаусс (Гс) (1T = 10 кгс).
Интенсивность магнитной индукции B = μ0 (H + M) = μ0H + μ0M. Мы называем μ0M магнитной поляризацией материала, то есть J = μ0M, и его единица измерения также равна Т (Тесла). В физическом смысле интенсивность магнитной поляризации J интерпретируется как магнитный дипольный момент на единицу объема магнитной среды, также известный как собственная магнитная индукция.Обозначается символом Bi или J.
.В магнитомягких материалах значение напряженности магнитного поля обычно не превышает 1000 А / м, μ0 составляет 4 × 10-7 Гн / м, а J = B-μ0H, поэтому разница между интенсивностью магнитной индукции B и величиной интенсивность магнитной поляризации J очень мала. Но в магнитотвердых материалах эта разница очень значительна, поэтому обычно приводятся кривая B-H и кривая J-H.
Интенсивность магнитной индукции B и интенсивность магнитной поляризации JВторой квадрант на рисунке выше — это кривая размагничивания магнита, которую мы обычно видим.В следующей статье мы дополнительно представим магнитные параметры магнитного материала, указанные на кривой B-H и кривой J-H.
ЗаключениеСпасибо, что прочитали нашу статью, и мы надеемся, что она поможет вам лучше понять интенсивность магнитной индукции B и интенсивность магнитной поляризации J . Если вы хотите узнать больше о магнитах, мы хотели бы посоветовать вам посетить Stanford Magnets для получения дополнительной информации.
Stanford Magnets — ведущий поставщик магнитов во всем мире, который занимается исследованиями и разработками, производством и продажей магнитов с 1990-х годов. Он предоставляет клиентам высококачественные постоянные магниты, такие как неодимовые магниты , магниты SmCo , магниты AlNiCo и ферритовые магниты (керамические магниты) по очень конкурентоспособной цене.
Просмотры сообщений: 872
Теги: магниты Alnico, керамические магниты, ферритовые магниты, Gauss, GS, ведущий поставщик магнитов, интенсивность магнитной индукции B, интенсивность магнитной поляризации J, неодимовые магниты, постоянные магниты, магниты SmCo, Stanford Magnets, T, Tesla .