Измерение магнитной индукции: Принципиальные методы измерения напряженности и индукции магнитного поля в магнетиках

Содержание

Принципиальные методы измерения напряженности и индукции магнитного поля в магнетиках

Прямое измерение индукции магнитного поля

Прямое измерение индукции магнитного поля при помощи витка с током основано на явлении электромагнитной индукции Фарадея.

Напомним один из основных законов электромагнетизма.

Закон электромагнитной индукции Фарадея

При изменении магнитного потока, проходящего через замкнутый контур, в контуре возникает ЭДС индукции.

Скорость изменения магнитного потока через замкнутый контур по модулю равна ЭДС индукции, возникающей в контуре.

Как измерить индукцию магнитного поля прямым методом? Сначала проводник в виде небольшой плоской петли замыкают на гальванометр и ориентируют так, чтобы линии магнитной индукции магнитного поля были перпендикулярны плоскости проводника. Затем проводник поворачивают вокруг своей оси на 90°. По закону электромагнитной индукции через гальванометр при этом должен пройти импульс тока. Измерив этот импульс, определяют среднее значение магнитной индукции B в области петли. 

Косвенные методы измерение напряженности и индукции магнитного поля

Прямое (непосредственное) измерение величины B описанным выше способом возможно не всегда. Например, так невозможно измерить индукцию магнитного поля в веществе. 

Необходимо принимать во внимание, что при переходе границы магнетика нормальные составляющие вектора магнитной индукции и тангенциальные составляющие вектора напряженности непрерывны. 

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Как измеряют вектор магнитной индукции в веществе? Для этого в исследуемом материале делают полость и проводят измерение. Также при обработке результатов учитывают форму полости.

Способ 1. В магнетике делают параллельный магнитному полю и бесконечно узкий канал. Так как канал бесконечно узкий, можно принять, что напряженность поля в нем и в окружающем магнетике одинаковы. В канал помещается пробный виток, измеряется величина магнитной индукции. Так как в канале отсутствует вещество магнетика и μ=1, получаем:

B→=μ0H→.

Способ 2. В магнетике создают бесконечно узкую щель. Удаление вещества, учитывая бесконечно малый размер щели, не сказывается на магнитном поле (удалением вещества можно пренебречь). Измеряя индукцию в щели, узнаем индукцию магнитного поля в веществе.

Пример

Пусть у нас есть электромагнит, состоящий из железного сердечника и катушек с током. Число витков с током равно N. Сердечник имеет узкий воздушный зазор длиной lv. По большей части линии магнитной индукции сосредоточены  внутри сердечника и пересекают границу воздух-сердечник по нормали к поверхности раздела. Найти величину магнитной индукции в воздушном зазоре электромагнита.

Решение.

Магнитная индукция в зазоре и сердечнике одинакова по модулю, если зазор бесконечно мал. 

B1n=B2n

Применяя теорему о циркуляции вектора напряженности H→, получим выражения для напряженности в железе и воздухе.

Напряженность в железе равна HFe=Bμ0μFe. Напряженность в воздухе: Hv=Bμ0μv. Циркуляция вектора напряженности запишется в виде:

HFelFe+Hvlv=NI

где I - сила тока в катушке, lFe - длина контура в железном сердечнике.

Подставим сюда записанные выше выражение для напряженности:

Bμ0μFelFe+Bμ0μvlv=NI.

Отсюда выразим магнитную индукцию:

B=μ0lNlvμv+lFeμFe≈μ0lNlv+lFeμFe.

Магнитная проницаемость железа велика, и соотношением lFeμFe≪1 можно пренебречь. Тогда выражение для индукции запишется в виде:

B≈μ0lNlv.

Измерение напряженности магнитного поля методом Гаусса

Данный метод применяется для измерения магнитного поля Земли.

Определение

Постоянные магниты - это магнетики, вектор намагниченности J→ которых остается неизменным (или меняется незначительно) при внесении магнетика во внешнее магнитное поле.

На этом определении и базируется суть метода. Для измерения напряженности магнитного поля методом Гаусса берется постоянный магнит в форме стержня, намагниченный параллельно оси. Если поместить такой магнит в постоянное магнитное поле с индукцией B→, на него будет действовать вращающий магнитный момент M→.

M→=Pm→B→.

Здесь Pm→ - магнитный момент стержня. Под действием момента M→ стержень, вращаясь вокруг своего центра масс, придет в состояние равновесия и установится вдоль вектора поля B→. При небольших отклонениях от положения равновесия возникают колебания с периодом T=2πθPm→B→, где θ - момент инерции стержня. 

Магнит-стержень закрепляется перпендикулярно магнитному полю B→, а на расстоянии r от его центра помещается маленькая магнитная стрелка. Стержень можно считать магнитным диполем, а для магнитного поля стержня в месте нахождения стрелки можно записать:

B1=2Pmr3.

Под воздействием полей B→ и B→1 стрелка установится под углом α к постоянному магнитному полю:

tgα=B1B=2PmBr3.

Измеряя период T и вычисляя угол α, находят магнитный момент стержня и значение индукции магнитного поля.

Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Методы измерения магнитной индукции и коэрцитивной силы в аппарате Эпштейна и на кольцевых образцах в постоянном магнитном поле – РТС-тендер


ГОСТ 12119.1-98

Группа В39

МКС 77.040.20
ОКСТУ 0909

Дата введения 1999-07-01

1 РАЗРАБОТАН Российской Федерацией, Межгосударственным техническим комитетом по стандартизации МТК 120 "Металлопродукция из черных металлов и сплавов"

ВНЕСЕН Госстандартом России

2 ПРИНЯТ Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол N 13 от 28 мая 1998 г.)


За принятие проголосовали:


Наименование государства


Наименование национального органа по стандартизации

Азербайджанская Республика

Азгосстандарт

Республика Армения

Армгосстандарт

Республика Беларусь

Госстандарт Беларуси

Киргизская Республика

Киргизстандарт

Российская Федерация

Госстандарт России

Республика Таджикистан

Таджикгосстандарт

Туркменистан

Главная государственная инспекция Туркменистана

Республика Узбекистан

Узгосстандарт

Украина

Госстандарт Украины

3 Постановлением Государственного комитета Российской Федерации по стандартизации и метрологии от 8 декабря 1998 г. N 437 межгосударственный стандарт ГОСТ 12119.1-98 введен в действие непосредственно в качестве государственного стандарта Российской Федерации с 1 июля 1999 г.

4 ВЗАМЕН ГОСТ 12119-80 в части раздела 2

5 ПЕРЕИЗДАНИЕ

1 Область применения


Настоящий стандарт устанавливает методы измерения магнитной индукции основной кривой намагничивания при напряженности постоянного магнитного поля 0,2-2500 А/м и коэрцитивной силы предельной петли магнитного гистерезиса в аппарате Эпштейна и на кольцевых образцах в постоянном магнитном поле.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 8.377-80 Государственная система обеспечения единства измерений. Материалы магнитомягкие. Методики выполнения измерений при определении статических магнитных характеристик

ГОСТ 8711-93 Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. Часть 2. Особые требования к амперметрам и вольтметрам

ГОСТ 12119.0-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Общие требования

ГОСТ 20798-75 Меры взаимной индуктивности. Общие технические условия

ГОСТ 21427.1-83 Сталь электротехническая холоднокатаная анизотропная тонколистовая. Технические условия

ГОСТ 21427.2-83 Сталь электротехническая холоднокатаная изотропная тонколистовая. Технические условия

ГОСТ 23737-79 Меры электрического сопротивления. Общие технические условия

3 Общие требования

Общие требования к методам испытания - по ГОСТ 12119.0.

Термины, применяемые в настоящем стандарте, - по ГОСТ 12119.0.

4 Подготовка образцов для испытаний

4.1 Образцы кольцевой формы вытачивают из заготовок, собирают из штампованных и точеных колец толщиной от 0,1 до 4,0 мм или навивают из ленты толщиной не более 0,35 мм и помещают в кассеты из изоляционного материала толщиной не более 3 мм или неферромагнитного металла толщиной не более 0,3 мм. Отношение наружного диаметра к внутреннему должно быть не более 1,3; площадь поперечного сечения образца - не менее 0,1 см.

4.2 Образцы для аппарата Эпштейна изготовляют из полос толщиной от 0,1 до 4,0 мм длиной от 280 до 500 мм, шириной - (30,0±0,2) мм. Полосы образца не должны отличаться друг от друга по длине более чем на ±0,2%. Площадь поперечного сечения образца должна быть от 0,5 до 1,5 см. Число полос в образце должно быть кратным четырем, минимальное число полос должно быть равно двенадцати.

Образцы анизотропной стали нарезают вдоль направления прокатки. Угол между направлениями прокатки и нарезки полос не должен превышать 1°.

Для образцов изотропной стали половину полос нарезают вдоль направления прокатки, другую - поперек. Угол между направлениями прокатки и нарезки не должен превышать 5°. Полосы группируют в четыре пакета: два - из полос, нарезанных вдоль направления прокатки, два - поперек. Пакеты с одинаково нарезанными полосами размещают в параллельно расположенных катушках аппарата.

Допускается полосы нарезать под одним и тем же углом к направлению прокатки. Направление прокатки для всех полос, уложенных в одну катушку, должно быть одинаковым.

5 Применяемая аппаратура

5.1 Установка. Схема установки приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема для измерений в постоянном магнитном поле

Рисунок 1 - Схема для измерений в постоянном магнитном поле

5.1.1 Амперметр для измерения постоянного тока и последующего определения напряженности магнитного поля должен иметь пределы от 15 мА до 15 А, класс точности не ниже 0,2 по ГОСТ 8711.

Допускается использовать вольтметр постоянного тока с резистором.

5.1.2 Амперметр любой системы, кроме детекторной, для измерения переменного размагничивающего тока должен иметь предел измерения от 1 мА до 15 А, класс точности не ниже 2,5 по ГОСТ 8711.

Допускается использовать вольтметр для оценки значения размагничивающего тока по напряжению на измерительной обмотке и кривой намагничивания для соответствующей марки стали. Прибор должен иметь предел измерения от 1 мВ до 30 В, класс точности не ниже 2,5 по ГОСТ 8711.

5.1.3 Баллистический гальванометр для измерения магнитного потока должен иметь период собственных колебаний не менее 15 с; режим периодический, близкий к критическому; чувствительность не менее 100 дел/мВб; разряд по постоянству нулевого положения - не более единицы.


Допускается использовать баллистический гальванометр с шунтом, магнитоэлектрический или электронный интегрирующий веберметр для измерения магнитного потока от 0,1 до 10,0 мВб с погрешностью в пределах ±0,5%, веберметры с делителями напряжения для расширения пределов измерения и (или) получения отсчетов, численно равных амплитудам магнитной индукции в образце.

5.1.4 Резисторы и для плавного регулирования тока в интервале от 2 мА до 15 А с дискретностью 0,1%.

5.1.5 Магазины сопротивлений , , для регулирования чувствительности и режима гальванометра должны иметь пределы от 0,1 Ом до 10 кОм, класс точности не ниже 0,2 по ГОСТ 23737.

5.1.6 Автотрансформатор для размагничивания образца должен иметь мощность не менее 0,4 кВ·А и обеспечивать плавное регулирование тока от 0,2 мА до 15 А.

5.1.7 Катушка для градуирования баллистического гальванометра должна иметь коэффициент взаимной индуктивности от 1 до 10 мГн, класс точности не ниже 0,2 по ГОСТ 20798.

5.1.8 Катушка для компенсации магнитного потока вне образца должна иметь число витков обмотки I не более пятидесяти, сопротивление - не более 0,05 Ом, сопротивление обмотки II - не более 3 Ом. Обмотки укладывают на цилиндрический каркас из немагнитного изоляционного материала длиной от 25 до 35 мм, диаметром от 40 до 60 мм. Ось катушки должна быть перпендикулярна к плоскости силовых линий образца при закреплении ее на аппарате Эпштейна. Относительная разность коэффициентов взаимной индуктивности катушки и аппарата Эпштейна без образца не должна выходить за пределы ±5%.

Допускается исключать из схемы (см. рисунок 1) катушку при магнитном потоке вне образца, не превышающем 0,2% измеряемого, или при введении поправки на этот магнитный поток.

5.1.9 Намагничивающие (I) и измерительные (II) обмотки кольцевого образца должны соответствовать требованиям ГОСТ 8.377.

5.1.10 Аппарат Эпштейна, применяемый для испытания образцов , составленных из полос, должен иметь четыре катушки на каркасах из немагнитного изоляционного материала размерами:

ширина внутреннего окна - (32,0±0,5) мм;

высота - от 10 до 15 мм;

толщина стенок каркаса - от 1,5 до 2,0 мм;

длина участка катушки с обмоткой - не менее 190 мм;

длина катушки - (220±1) мм.

Число витков в обмотках аппарата выбирают в соответствии с таблицей 1.


Таблица 1

Напряженность магнитного поля,
А/м

Число витков в обмотке

I - намагничивающей

II - измерительной

От 0,2 до 1,0 включ.

4

600-2000

Св. 1,0 " 100,0 "

150-700

200-700

" 100,0 " 2500,0 "

600-1500

20-700


Примечания

1 Намагничивающую обмотку из четырех витков выполняют из медных гильз толщиной 0,2-0,3 мм, расположенных вдоль каркасов. Гильзы должны иметь зазор 2-3 мм, по обе стороны которого на одинаковом расстоянии припаивают по пять выводов и, соединяя их между собой, получают начало и конец одного витка.

2 Остальные обмотки наматывают равномерно по длине каркасов катушки. Число слоев каждой обмотки на каркасах должно быть нечетным.

5.1.11 Источник питания для намагничивания образца должен обеспечивать постоянное выходное напряжение не менее 20 В, изменение намагничивающего тока - не более 0,2% в минуту, отношение амплитуды переменной составляющей выходного напряжения к постоянной составляющей - не более 0,05%. При напряженности магнитного поля 5 А/м допускается увеличение отношения до 0,1%. Допускается использовать стабилизатор постоянного напряжения.

5.1.12 Источник сетевого переменного напряжения для размагничивания образца должен иметь выходную мощность не менее 0,5 кВ·А и плавное регулирование выходного напряжения.

5.1.13 Переключатели , , и должны быть рассчитаны на максимальный ток 15 А.

6 Подготовка к проведению измерений

6.1 Обмотки кольцевого образца или аппарата Эпштейна подключают, как указано на рисунке 1.

Полосы образца укладывают в аппарат Эпштейна, как указано на рисунке 2. Допускается фиксировать положение полос, создавая давление не более 1 кПа перпендикулярно поверхности образца вне намагничивающих катушек.

Рисунок 2 - Схема укладки полос образца

Рисунок 2 - Схема укладки полос образца

6.2 Площадь поперечного сечения образцов S, м, вычисляют следующим образом:

6.2.1 Площадь поперечного сечения , м, для образцов кольцевой формы из ленты любой толщины без изоляционного покрытия или из ленты толщиной не менее 0,2 мм с покрытием рассчитывают по формуле

(1)


где - масса образца, кг;

- наружный и внутренний диаметры кольца, м;

- плотность материала, кг/м.

Плотность материала , кг/м, выбирают по приложению 1 ГОСТ 21427.2 или рассчитывают по формуле

(2)


где и - массовые доли кремния и алюминия, %.

6.2.2 Площадь поперечного сечения , м, для образцов кольцевой формы из ленты толщиной менее 0,2 мм с изоляционным покрытием рассчитывают по формуле

(3)


где - отношение плотности изоляционного покрытия к плотности материала образца,

где - плотность изоляции, принятая равной 1,6·10 кг/м для неорганического покрытия и 1,1·10 кг/м для органического;

- коэффициент заполнения, определяемый, как указано в ГОСТ 21427.1

.

6.2.3 Площадь поперечного сечения образцов , м, составленных из полос для аппарата Эпштейна, рассчитывают по формуле

, (4)


где - длина полосы, м.

6.3 Погрешность определения массы образцов не должна выходить за пределы ±0,2%, наружного и внутреннего диаметров кольца - ±0,5%, длины полос - ±0,2%.

6.4 Перед измерениями должна быть проведена градуировка баллистического гальванометра для определения его постоянной , Вб/дел. Градуировку проводят на установке (см. рисунок 1) при отсутствии испытуемого образца.

6.4.1 Сопротивление в цепи гальванометра при градуировке и последующем измерении магнитной индукции в образце должно быть постоянным. Ток в обмотке I катушки должен быть таким, чтобы показание гальванометра составляло от 20 до 50% длины шкалы с нулевой отметкой посередине. Отклонение указателя гальванометра должно быть в ту же сторону, что и при определении магнитных величин.

6.4.2 При градуировке переключатели и ставят в положение 1, ключи и замыкают, источник отключают. В обмотке I катушки устанавливают заданное значение тока , А, и при размыкании цепей переключателями и определяют показание гальванометра , дел. Операцию повторяют не менее трех

раз.

6.4.3 Постоянную баллистического гальванометра , Вб/дел., вычисляют как среднее арифметическое постоянных гальванометра , Вб/дел., полученных при не менее чем трех заданных значениях тока.

6.4.4 Постоянную гальванометра , Вб/дел., для заданного значения тока , А, рассчитывают по формуле

(5)


где - коэффициент взаимной индуктивности катушки , Гн;

- среднее арифметическое показаний гальванометра , определенных, как указано в 6.4.2, дел.

При использовании гальванометра с шунтом постоянную , Вб/дел. следует определять для каждого значения коэффициента шунтирования.

6.5 При использовании веберметра из установки исключают: переключатель , катушку и резисторы , , (см. рисунок 1).

6.6 При измерении магнитной индукции в постоянном магнитном поле напряженностью менее 100 А/м проводят размагничивание образцов. Максимальная амплитуда напряженности размагничивающего поля должна превышать коэрцитивную силу образца более чем в пятьдесят раз. Амплитуда напряженности магнитного поля, при которой заканчивают размагничивание, должна быть менее 0,1 А/м.

6.6.1 При толщине листа или ленты образца менее 1,0 мм размагничивание проводят в поле частотой 50 Гц.

Переключатель ставят в положение 2, ключ замыкают (см. рисунок 1). Устанавливают ток, соответствующий максимальной амплитуде напряженности размагничивающего поля, и затем плавно уменьшают его.

6.6.2 При толщине листа или ленты более 1,0 мм размагничивание проводят постоянным током. Переключатель ставят в положение 1, - в положение 2, замыкают ключ и подают напряжение с генератора , соответствующее максимальной амплитуде размагничивающего тока. Коммутируют ток переключателем не чаще одного раза в секунду и одновременно плавно уменьшают его.

6.6.3 Время размагничивания должно быть не менее 40 с.

6.6.4 При измерении магнитной индукции в поле напряженностью менее 1,0 А/м образцы выдерживают после размагничивания 24 ч, при измерении индукции в поле напряженностью более 1,0 А/м время выдержки может быть сокращено до 10 мин.

Допускается уменьшать время выдержки при относительной разности значений индукции, полученных после нормальной и сокращенной выдержек в пределах ±2%.

6.6.5 При измерении коэрцитивной силы предельной петли гистерезиса и магнитной индукции более 100 А/м образцы не размагничивают.

6.7 Намагничивающий ток , А, соответствующий заданному значению напряженности поля , А/м, рассчитывают по формуле

, (6)


где - средняя длина магнитной силовой линии, м;

- число витков обмотки I образца.

Для образцов кольцевой формы среднюю длину магнитной силовой линии , м, рассчитывают по формуле

(7)


В стандартных испытаниях для образца из полос принимают равной 0,94 м. При необходимости повышения точности определения магнитных величин допускается значение выбирать из таблицы 2.

Таблица 2

Напряженность магнитного поля, А/м

Средняя длина магнитной силовой линии , м

для изотропной стали

для анизотропной стали

От 0 до 10 включ.

0,95

0,99

Св 10 " 70 "

0,97

0,99

" 70 " 200 "

0,97

0,98

" 200 " 500 "

0,93

0,96

" 500 " 1000 "

0,91

0,95

" 1000 " 2500 "

0,88

0,91

7 Порядок проведения измерений

7.1 Магнитную индукцию определяют импульсно-индукционным методом: изменяют ступенчато напряженность постоянного магнитного поля; формируют импульс напряжения в обмотке II образца, связанный с магнитным потоком, и измеряют прирост магнитной индукции баллистическим гальванометром или веберметром.

7.1.1 Переключатели и ставят в положение 1, - в положение 2, замыкают ключ и устанавливают резистором значение намагничивающего тока , А, рассчитанное по формуле (6) для наименьшего значения напряженности магнитного поля.

7.1.2 Коммутируют ток переключателем не менее десяти раз, изменяют направление тока этим переключателем, размыкают ключ и определяют показание , дел., гальванометра или значение магнитного потока , Вб, по веберметру. При коммутации ток в намагничивающей обмотке должен изменяться монотонно.

7.1.3 Плавно устанавливают большее значение тока и повторяют операции, указанные в 7.1.2.

7.2 Коэрцитивную силу в замкнутой магнитной цепи определяют импульсно-индукционным методом: изменяют намагничивающий ток от значения, соответствующего коэрцитивной силе, до максимального значения и измеряют магнитный поток, который должен иметь постоянную полярность и быть вдвое меньше, чем максимальный магнитный поток для петли гистерезиса.

7.2.1 Переключатели и ставят в положение 1, - в положение 2, замыкают ключ и при максимальном значении сопротивления резистора устанавливают резистором ток , А, соответствующий напряженности магнитного поля , А/м, превышающей коэрцитивную силу , А/м, более чем в пятьдесят р

аз.

7.2.2 Размыкают ключ , изменяют направление тока переключателем и определяют показание , дел., баллистического гальванометра или , Bб, веберметра, соответствующее максимальному изменению магнитной индукции . Замыкают ключи и и возвращают переключатель в положение

1.

7.2.3 Размыкают ключ , изменяют направление тока переключателем , резистором увеличивают ток до значения, близкого к коэрцитивной силе, и размыкают ключ . Определяют показание гальванометра , дел., или веберметра , Вб, при замыкании ключа

.

7.2.4 Повторяют операции, указанные в 7.2.3. Выбирают два значения тока и и соответствующие им показания гальванометра и , для которых должны выполняться условия:


Показания гальванометра и не должны отличаться от значения 0,5 более чем на ±0,03.

8 Правила обработки результатов измерений

8.1 Индукцию , Тл, соответствующую заданной напряженности магнитного поля , А/м, рассчитывают по формуле

(8)


где - постоянная гальванометра, определенная, как указано в 6.4, Вб/дел.;

- среднее значение показаний гальванометра, определенных, как указано в 7.1.2, дел.;

- число витков в обмотке II образца;

- площадь поперечного сечения образца, м.

При отсутствии катушки вводят поправку на магнитный поток вне образца. Действительное значение магнитной индукции , Тл, рассчитывают по формуле

(9)


где - магнитная постоянная, Гн/м;

- площадь поперечного сечения обмотки II образца, м;

- площадь поперечного сечения образца, м.

При использовании веберметра магнитную индукцию , Тл, рассчитывают по формуле

(10)


где - показание веберметра, Вб.


8.2 Коэрцитивную силу , А/м, рассчитывают по формуле

(11)


где - число витков обмотки I образца;

- средняя длина магнитной силовой линии, определяемая, как указано в 6.7, м;

- средние значения показаний гальванометра, определенные, как указано в 7.2.3 и 7.2.4, дел;

- значения силы тока, соответствующие значениям и , А;

- среднее значение максимальных показаний гальванометра, определенных, как указано в 7.2.1 и 7.2.2, дел.

Допускается при соблюдении условия 0,01 второе слагаемое в формуле (11) не учитыват

ь.

8.3 При использовании прямолинейной шкалы гальванометра вводят поправку , дел., рассчитываемую по формуле

(12)


где - расстояние между зеркалом гальванометра и шкалой в делениях шкалы.

Тогда в формулах (5), (8) и (11) значения величины , дел., заменяют на значения величины , дел., рассчитываемую по формуле

(13)

8.4 Погрешность измерения магнитной индукции не должна выходить за пределы, указанные в таблице 3.



Таблица 3

Магнитная индукция, Тл

Погрешность измерения, %

для изотропной стали

для анизотропной стали

От 1,0·10до 1,0·10 включ.

От 1,0·10до 1,0·10 включ.

±5

Св. 1,0·10“ 1,2 “

Св. 1,0·10“ 1,4 “

±3

“ 1,2 “ 2,0 “

“ 1,4 “ 2,0 “

±1,5

8.5 Погрешность измерения коэрцитивной силы не должна выходить за пределы ±3%.


Текст документа сверен по:
официальное издание
Сталь электротехническая.
Технические условия. Методы анализа:
Сб. ГОСТов. -
М.: ИПК Издательство стандартов, 2003

ВНИИМ::лаборатория магнитных измерений

Роль лаборатории в стране

Лаборатория является ведущим подразделением Госстандарта РФ по метрологическому обеспечению магнитных измерений, которые применяются в следующих основных производственных и научных сферах, важных для человеческой деятельности:

  • изучение физической природы земного магнетизма, его динамического развития и влияния на глобальные и локальные физические процессы, включая глубинные, тектонические, климатические и медицинские эффекты, предсказание землятресений и для реализации ряда других практических применений;
  • геофизические исследования естественного пространственно-временного распределения параметров магнитного поля Земли на ее поверхности с целью поиска и оценки запасов новых источников сырьевых ресурсов;
  • осуществление морской и аэрокосмической навигации судов и летательных аппаратов;
  • определение магнитных параметров технических обьектов и поиск скрытых технических обьектов, в том числе в оборонных интересах;
  • изучение магнитных полей в ближнем и дальнем космосе;
  • исследование магнитных полей человека и воздействия на него магнитных полей с различными параметрами с целью медицинской диагностики и лечения;
  • определение качества и технических параметров изделий энергомашиностроения, электротехники, металлургии, станкостроения, технических средств транспорта бесконтактными методами;
  • решение проблем электромагнитной совместмости и диагностики элементов сложных устройств электронной и приборостроительной промышленности;
  • экологические вопросы, связанные с магнитными полями энергоемких технических обьектов.

Основные научные направления

  • cоздание государственных первичных эталонов в области магнитных измерений - основного элемента системы обеспечения единства измерений в стране
  • уточнение гиромагнитного отношения протона и гиромагнитных отношений атомов (изотопов гелия, калия и других), применяемых в прецизионных измерительных магниторезонансных преобразователях магнитной индукции
  • создание вторичных и рабочих эталонов для поверки средств измерений магнитных величин
  • разработка нормативно-технической документации (ГОСТ’, методики поверки и испытаний и др.)
  • проведение сертификационных испытаний отечественных и зарубежных средств измерений с целью утверждения типа

Воспроизводимые единицы измерений в области постоянных и переменных (до 20 кГц) магнитных полей

  • магнитной индукции - Тл
  • магнитного потока - Вб
  • магнитного момента - А.м2
  • градиента магнитной индукции - Тл/м
  • магнитной восприимчивости - единица СИ
  • отношений единиц - Вб/Тл, Тл/А, Вб/A, (Тл/м)/А
  • магнитных параметров материалов

Лаборатория является базовой научной структурой по метрологическому обеспечению магнитных измерений в стране.

В лаборатории разработаны Государственный первичный эталон единиц магнитных величин ГЭТ 12-2011 и государственная поверочная схема в области базовых параметров магнитного поля по ГОСТ 8.030-2013. Государственная поверочная схема введена в действие с 1 января 2015 года.


Государственный первичный эталон единиц магнитной индукции, магнитного потока, магнитного момента и градиента магнитной индукции - ГЭТ12-2011

Физическая
величина
Диапазон Частота,
Гц
Погрешности воспроизведения
и передачи единицы
Погрешность
результата
СКО (n=10) НСП (Р=0,99) Sco
Магнитная индукция (МИ) 1·10-6-1·10-3 Тл 0 2·10-6-5·10-8 7,5·10-5-6·10-7 3·10-5-2·10-7
Магнитный поток (МП) 5·10-6-3·10-2 Вб 0 1·10-2-5·10-6 1·10-3-4,3·10-5 1·10-2-1,5·10-5
Магнитный момент (ММ) 3·10-4-20 А·м2 0 5·10-3-1·10-5 3·10-3-1,8·10-4 5·10-3-6·10-5
Градиент МИ 1·10-5-1·10-1 Тл/м 0 1·10-2-1·10-3 5·10-4 1·10-2-1·10-3
Угол между магнитными осями мер МИ 90±0,1 угл.град. 0 2 угл. сек. 5 угл. сек. 3 угл. сек.
Отношение МИ к силе тока [отношение МП к ММ, Вб/( А·м2)] 1·10-6-1·10-2 Тл/А 0
1-20000
2·10-6-5·10-8
1·10-3-7·10-5
3,6·10-6-1,8·10-6
1·10-3-1,5·10-4
2,3·10-6-6·10-7
1·10-3-1·10-4
Отношение МП к силе тока 1·10-4-1·10-2 Вб/А 0 3·10-3-1·10-5 1·10-3-4,3·10-5 3·10-3-1,5·10-5
Отношение МП к МИ [отношение ММ к силе тока, (А·м2)/А] 1·10-2-20 Вб/Тл 0
20-20000
1·10-3-4·10-5
1·10-3-2·10-5
3·10-4-1·10-4
5·10-4-1,5·10-4
1·10-3-6·10-5
1·10-3-6·10-5
Отношение градиента МИ к силе тока 1·10-3-1·10-1 Тл·м-1·А-1 0 5·10-3-1·10-3 5·10-4 5·10-3-1·10-3


Результаты международных сличений государственного первичного эталона единиц магнитной индукции, магнитного потока, магнитного момента и градиента магнитной индукции

№№ п/п Год Организатор
и шифр сличений
Участники Наименование (содержание) сличений Результат
1 2010 ВНИИМ
P1-APMP.EM-S9
ВНИИМ и КРИСС (Ю. КОРЕЯ) Сличения эталонов единицы Тл/А Согласование размера единицы – 1,2∙10-6
2 2011 ВНИИМ ВНИИМ и КРИСС (Ю. КОРЕЯ) Сличения эталонов единицы Тл uA= 5∙10-7
uB = 1∙10-7
3 2013-2014 ВНИИМ
P1-APMP.EM-S14
РОССИЯ (ВНИИМ),
АНГЛИЯ,
ГЕРМАНИЯ,
БЕЛЬГИЯ,
ЧЕХИЯ,
Ю. КОРЕЯ,
КИТАЙ,
АВСТРАЛИЯ,
АВСТРИЯ
Сличения эталонов единицы Тл
20-100 мкТл,
НИЛ 2205 – пилотная лаборатория
uB = 0,1 нТл

Измерения магнитных величин. Основные методы и средства

Иногда в процессе работы, научного исследования или простого любопытства возникает необходимость в определении магнитных величин. Их можно либо рассчитать по формулам, имея необходимые данные, или же произвести замер магнитной величины. В данной статью мы будем рассматривать измерение магнитных величин.

К магнитным величинам, как правило, относят напряженность магнитного поля H, поток магнитный Ф, а также величину магнитной индукции В.

Методику измерения магнитных величин основывают на преобразовании этих величин в электрические, и с помощью электроизмерительного прибора приводят к доступному для человеческого восприятия виду.

Наиболее широкое распространение получили два метода измерения – индукционный и гальваномагнитных эффектов. Разберем каждый в отдельности.

Индукционный метод

Он основан на эффекте возникновения ЭДС в витках электромагнитной катушки при изменении магнитного потока Ф, который сцепляется с ним, как это показано ниже:

Аналитическая зависимость будет иметь вид:

Где: w – число витков в катушке, ψ – потокосцепление.

Если магнитный поле будет однородно, то поток магнитный Ф будет связан с магнитной индукцией В следующим выражением – Ф = Вs, где s – представляет собой площадь сечения катушки.

Если среда, в которой происходит такое явление воздушная, то индукция магнитная В будет связана с напряженностью магнитного поля H такой зависимостью: В = μ0Н, где μ0 – магнитная постоянная для воздушной среды.

Можно сделать вывод, что индукционный метод позволяет определить напряженность магнитного поля, магнитный поток и индукцию магнитную:

Приборы, которые измеряют магнитный поток, называют веберметрами.

Простейшая схема такого устройства показана ниже:

Она состоит из индукционной катушки, обозначенной на схеме (Wк) и интегрирующего устройства ИУ. Магнитоэлектрические гальванометры, без устройств противодействующего момента, зачастую используют в качестве интегрирующих устройств ИУ. Если катушку измерительного устройства подносить или удалять от магнитного поля, то отклонения измерительного механизма будет пропорционально магнитному потоку и определятся зависимостью:

Где: α – угол отклонения стрелки прибора, Wк – количество витков в катушке измерительной, Сф – цена деления веберметра.

Например, веберметры типа М199 и М1119 имеют цену деления 5*10-6 и 10-4 Вб/дел, а основная их погрешность лежит в пределах ±1,5%.

Метод гальваномагнитных эффектов

Очень широкое применение из этих гальваномагнитных эффектов получил так называемый метод Холла.

Суть его заключается в следующем – если через пластину, которая состоит из полупроводника и находится в магнитном поле с индукцией В, пропустить какой – то ток I, то между точками Х – Х возникнет разность потенциалов Ех, которая носит название ЭДС Холла. Схема приведена ниже:

ЭДС Холла будет равна:

Где: Sп – чувствительность преобразователя при токе I.

Устройства, которые измеряют магнитную индукцию В называют тесламетрами.

Упрощенная схема такого прибора с преобразователем Холла (ПХ) показана ниже:

Преобразователь Холла запитуют переменным током через трансформатор ТР от генератора Г. Измеряют ЭДС Холла компенсационным методом . Напряжение компенсирующее Uк, снимают с резистора R1 и подают в противофазе с ЭДС Холла на сравнивающее устройство СУ. С помощью переменного резистора R производят градуировку сравнивающего устройства. Также питание датчика Холла и компенсационной цепи от одного источника напряжения позволяет исключить погрешность от нестабильной частоты и напряжения генератора.

По такой схеме работает тесламетр типа Ш1-8, который может измерять индукцию в диапазоне от 0,01 – 1,6 Тл. Основная погрешность этого устройства не превышает ±2%.

Также датчики Холла очень активно применяют в современных асинхронных электродвигателях с векторным управлением по потокосцеплению электрической машины.

Принцип работы магнитометра

Магнитометр – измерительный прибор, предназначенный для измерения параметров магнитного поля и магнитных свойств веществ.

Магнитным полем можно назвать проявление электромагнитного поля, обусловленное движущимися заряженными частицами и изменением электрического поля и оказывающего силовое воздействие на движущиеся заряженные частицы или проводники с током.

Основной физической величиной является магнитная индукция В, которая характеризует силовое воздействие магнитного поля в каждой его точке, как по значению, так и по направлению. Магнитная индукция - является величиной векторной, изображается вектором В, имеющим направление, совпадающее с направлением касательной к силовой линии в любой точке поля, так как магнитное поле может быть изображено с помощью линий магнитной индукции, т. е. силовых линий.

 

          

Магнитное поле может быть однородным(а, б) и неоднородным (в). В однородном поле векторы магнитной индукции В в любой точке поля одинаковы и направлены в одну сторону. В противном случае поле считается не однородным Магнитометры в зависимости от определяемой величины можно разделить на приборы для измерения конкретного параметра:
  • эрстедметры - напряжённости поля;
  • инклинаторы и деклинаторы - направления поля;
  • градиентометры - градиента поля;
  • тесламетры - магнитной индукции;
  • веберметры, или флюксметры - магнитного потока;
  • коэрцитиметры - коэрцитивной силы;
  • мю-метры - магнитной проницаемости;
  • каппа-метры - магнитной восприимчивости, магнитного момента.

 Наиболее широко используются приборы для измерения магнитной индукции и напряженности магнитного поля, которые позволяют:

  • Определить соответствия оборудования для проведения магнитопорошкового контроля необходимым техническим характеристикам;
  • Контролировать уровня индукционных полей подконтрольных изделий, компонентов, либо устройств при проведении диагностических работ магнитопорошковым методом;
  • Контролировать уровня остаточной намагниченности;
  • Контролировать уровень индустриальных помех;
  • Контролировать уровня магнитных полей.

Измерение магнитной индукции и напряженности магнитного поля в постоянных и переменных полях выполняются с помощью тесламетров с преобразователями Холла. При помещении такого преобразователя в магнитное поле на боковых его гранях генерируется ЭДС.

К достоинствам тесламетров работающих с преобразователем Холла можно отнести простоту конструкции, удобство в эксплуатации, высокие метрологические характеристики. Недостатки: показания прибора зависят от температуры.

  Автор: Сергей Погорелов

Измеритель магнитной индукции портативный ИМП-2

Снят с производства. Возможная замена — ТПУ-01

Предназначен для измерения магнитной индукции постоянного, переменного и импульсного магнитных полей.

Прибор используется для контроля технических характеристик дефектоскопов и намагничивающих устройств, проверки режимов намагничивания и степеней размагничивания контролируемых деталей и т.п.

Прибор зарегистрирован в отраслевом Реестре средств измерений, допущенных к применению на железнодорожном транспорте, под № МТ 035.2001 и имеет сертификат соответствия № РОСС RU.МЕ28.В13694.

Прибор обеспечивает измерение и контроль следующих параметров

  • магнитная индукция постоянного магнитного поля
  • амплитудное значение магнитной индукции переменного магнитного поля
  • амплитуда магнитной индукции импульсного магнитного поля.

Прибор имеет две шкалы измерений «мТл» и «А/м»

Выбор пределов измерения производится автоматически в процессе измерения. Предусмотрено автоматическое отключение питания через 5 минут.

Технические характеристики

Диапазон измерений 0,1...100 (0,8...800) мТл (А/см)
Пределы измерений 20; 100 мТл
Погрешность измерений +[5+0,5(Вп/Ви-1)]%,Вп-верхний предел диапазона измерений,Ви-показание миллитесламетра
Ток потребления Не более 80 мА
Продолжительность непрерывной работы Не менее 8 ч
Температура окружающего воздуха +5...+50 °С
Напряжение питания 1,2 В
Источник электропитания Аккумулятор Ni-MH 1800 мАч
Габаритные размеры корпуса Не более 145×80×40 мм
Масса Не более 0,2 кг

Принципиальные методы измерения напряженности и индукции магнитного поля в магнетиках

Задание: Лабораторный магнит состоит их железного сердечника, на котором находятся катушки с током (I). Сердечник имеет узкий воздушный зазор (длина его равна $l_v$). Линии магнитной индукции сосредоточены в основном внутри сердечника. Вектор магнитной индукции пересекает границу воздушный зазор -- сердечник по нормали к поверхности раздела. Чему равна магнитная индукция в зазоре электромагнита? Число витков с током равно N.

Рис. 1

Решение:

Согласно граничному условию:

\[B_{1n}=B_{2n}\left(1.1\right)\]

магнитная индукция в зазоре и железном сердечнике одинакова по модулю. Используем теорему о циркуляции вектора напряженности ($\overrightarrow{H}$). В качестве контура возьмем контур, который проходит по оси сердечника. Будем считать, что напряженность в железе везде одна и равна:

\[H_{Fe}=\frac{B}{{\mu }_0{\mu }_{Fe}}\ \left(1.2\right).\]

В воздухе напряженность равна:

\[H_v=\frac{B}{{\mu }_0{\mu }_v}\ \left(1.3\right).\]

Циркуляция вектора напряженности может быть записана как:

\[H_{Fe}l_{Fe}+H_vl_v=NI\ \left(1.4\right),\]

где $l_{Fe}$ -- длина контура в железном сердечнике, $l_v$ -- длина контура в воздухе, $N$ -- суммарное число витков в катушке, I -- сила тока в катушке. Подставим (1.2) и (1.3) в (1.4), получим:

\[\frac{B}{{\mu }_0{\mu }_{Fe}}l_{Fe}+\frac{B}{{\mu }_0{\mu }_v}l_v=NI\ \left(1.5\right).\]

Выразим из (1.5) магнитную индукцию, имеем:

\[B={\mu }_0I\frac{N}{\frac{l_v}{{\mu }_v}+\frac{l_{Fe}}{{\mu }_{Fe}}}\approx {\mu }_0I\frac{N}{l_v+\frac{l_{Fe}}{{\mu }_{Fe}}}(1.6).\]

${\mu }_v\approx 1$. Магнитная проницаемость железа (${\mu }_{Fe}$) весьма велика, порядка, несколько тысяч, поэтому часто отношением $\frac{l_{Fe}}{{\mu }_{Fe}}\ll 1$ пренебрегают, тогда формула (1.6) приобретет вид:

\[B={\mu }_0I\frac{N}{l_v}.\]

Ответ: $B={\mu }_0I\frac{N}{l_v}.$

Измерения магнитной индукции и идентификация проницаемости магнитореологических эластомеров с использованием моделирования методом конечных элементов

Основные моменты

Подход обратного моделирования для определения проницаемости MRE.

Сравнение измерений магнитного потока с моделированием методом конечных элементов.

Определена проницаемость изотропных и анизотропных MRE с различным содержанием железа.

Результаты выгодно отличаются от теоретических прогнозов.

Простая экспериментальная установка.

Недорогой метод, который можно использовать в большинстве лабораторий механических испытаний.

Abstract

Изотропная и анизотропная магнитная проницаемость магнитореологических эластомеров (MRE) определяется с помощью простого подхода обратного моделирования. Это включает измерение плотности магнитного потока и силы притяжения, возникающей между магнитами, когда образцы MRE помещаются между магнитами.Испытания проводились с использованием изотропных MRE с концентрацией 10–40% и анизотропных MRE с объемной концентрацией частиц 10–30%. Затем магнитная проницаемость была идентифицирована посредством обратного моделирования путем моделирования системы с использованием коммерчески доступного мультифизического программного обеспечения для конечных элементов. Как и ожидалось, эффективная проницаемость изотропных MREs оказалась скалярной; увеличивается с увеличением объемной концентрации частиц (от примерно 1,6 при 10% до 3,7 при 30% объемной концентрации).Магнитная проницаемость трансверсально-изотропного MRE сама по себе оказалась трансверсально изотропной с проницаемостями в направлении выстраивания цепочки частиц от 1,6 при 10% до 4,45 при 30%, что в 1,07–1,25 раза выше, чем в поперечных направлениях. Результаты этого исследования демонстрируют хорошее согласие с данными, опубликованными в литературе.

Ключевые слова

Магнитореологические эластомеры

Магнитная проницаемость

Композиты

Измерения с помощью гауссметра

Моделирование конечных элементов

Comsol

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Авторские права © 2015 Авторы.Опубликовано Elsevier B.V.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Измерение магнитных полей | ARPANSA

Магнитные поля внутри дома могут изменяться в разных местах, а также с течением времени.

Все электрическое, от тостера до высоковольтной линии электропередачи, создает электрические и магнитные поля. В Австралии электрические и магнитные поля, связанные с использованием электричества, генерируются с частотой 50 герц (Гц) (50 циклов в секунду).

Как электрическое, так и магнитное поля наиболее сильны вблизи работающего электрического источника. Сила электрического поля зависит от напряжения (обычно 240 В для домашнего хозяйства) и присутствует в любом проводе под напряжением, независимо от того, используется ли электроприбор или нет. С другой стороны, магнитные поля создаются электрическими токами и присутствуют только тогда, когда прибор работает, то есть нет магнитного поля, когда электрический прибор выключен.

Нет достоверных научных доказательств того, что воздействие электрических и магнитных полей вокруг дома, офиса или вблизи линий электропередач вызывает неблагоприятные последствия для здоровья.Тем не менее, есть некоторые эпидемиологические (популяционные) исследования, в которых сообщается о возможной связи между длительным воздействием магнитных полей крайне низкой частоты (СНЧ) на уровнях выше, чем обычно, и повышенной частотой лейкемии у детей. Другие исследования, включая исследования клеток и животных, не подтвердили эти результаты. В целом, доказательства, относящиеся к детской лейкемии, неубедительны; однако люди должны знать об этом, чтобы принимать обоснованные решения.

Для получения дополнительной информации об электрических и магнитных полях и возможности неблагоприятного воздействия на здоровье см. Информационный бюллетень ARPANSA «Электричество и здоровье».

Сила магнитного поля выражается в единицах Тесла (Тл) или микротесла (мкТл). Другой обычно используемой единицей является Гаусс (Г) или миллигаусс (мГс), где 1 Гс эквивалентно 10 -4 Тл (или 1 мГс = 0,1 мкТл).

Существует ряд различных инструментов, которые могут измерять напряженность магнитного поля. Гаусс-метр - это портативное устройство, которое обеспечивает простой способ выполнения таких измерений.

ARPANSA предлагает для аренды две разные модели гауссметров: Sypris Model 4080 и EMDEX Snap.Оба инструмента работают одинаково.

Вверху: прибор EMDEX Snap

Гаусс-метры, доступные от ARPANSA, измеряют магнитные поля от электрических источников, которые работают в частотах от 25 Гц (40 Гц для EMDEX Snap) до 1000 Гц в единицах мГс. Измеритель магнитного поля не подходит для измерения радиочастотных полей, излучаемых телекоммуникационными источниками, такими как мобильные телефоны, вышки мобильной связи, Wi-Fi, интеллектуальные счетчики и т. Д.Показания, снятые очень близко (несколько см) к портативным электронным устройствам, таким как мобильные телефоны (в отличие от электрических устройств, таких как обогреватели, стиральные машины и т. Д.), Могут быть ложными. Встряхивание или вибрация любого из устройств также может дать ложные показания. Поскольку измерители измеряют только магнитные поля от электрических источников, они не будут измерять статическое магнитное поле Земли, значение которого составляет приблизительно 500 мГс.

Счетчик Sypris

Выключатель питания счетчика находится на боковой стороне устройства.Когда глюкометр Sypris включен, он выполнит начальный тест самодиагностики, показывая все доступные показания на своем цифровом дисплее. После начального этапа измеритель будет отображать напряженность магнитного поля в том месте, где он находится или размещен, и интенсивность изменится при соответствующем перемещении. Если отрицательный знак все еще отображается после первоначального теста, это означает, что расходомер разряжается и батарею необходимо заменить (если это произойдет, позвоните в ARPANSA для получения помощи).

Счетчик EMDEX

Выключатель питания счетчика находится на боковой стороне устройства. Когда глюкометр EMDEX включен, он отображает уровень заряда батареи. После начального этапа измеритель будет отображать напряженность магнитного поля в том месте, где он находится или размещен, и интенсивность изменится при соответствующем перемещении. Батарею следует заменить, если глюкометр показывает уровень заряда батареи 25% или меньше.

Измерения магнитного поля в доме, как правило, следует проводить в центре комнаты на расстоянии примерно одного метра от земли или в местах, где люди проводят значительное количество времени, например, у кровати.Измерения также следует проводить несколько раз в течение дня. Это сделано для того, чтобы учесть возможные изменения спроса на электроэнергию, который обычно достигает пика вечером примерно в 19:00. Измерения также можно проводить в любых других интересных местах.

Важно помнить, что, как упоминалось ранее, существующие данные связывают любые воздействия на здоровье с длительным воздействием магнитного поля. Измерения, проводимые гауссметром, являются мгновенными (т. Е. Измеряются в один момент времени) и не отражают точно уровни длительного воздействия.Подробная информация о предпочтительной методике измерения и инструментах для выполнения усредненных по времени измерений доступна в протоколе измерений, разработанном ARPANSA, который доступен в техническом отчете ARPANSA TR134.

Технический отчет 134 - Измерение магнитных полей промышленной частоты в жилых помещениях

Магнитные поля внутри дома могут изменяться в разных местах, а также со временем. Фактическая напряженность поля в данном месте зависит от количества и видов источников, а также от их удаленности от места измерения.Типичные значения, измеренные вдали от электроприборов, составляют порядка 0,1–2,0 мГс.

Магнитные поля отдельных приборов также могут значительно различаться в зависимости от того, как они были спроектированы и изготовлены. Например, фен одной марки может генерировать более сильное магнитное поле, чем другой. Как правило, приборы, которые используют большой ток (например, те, которые имеют электродвигатель), приводят к более высоким показаниям. Следует также отметить, что разные части тела будут подвергаться воздействию магнитного поля разного уровня от одного и того же устройства в зависимости от того, как далеко эта часть тела находится от устройства во время использования.Типичные значения магнитных полей, измеренные на обычном расстоянии пользователя от некоторых распространенных бытовых электроприборов, перечислены в таблице 1.

Таблица 1: Типичные значения магнитных полей, измеренные на обычном расстоянии до пользователя
Устройство Диапазон измерений (мГ) *
Плита электрическая 2–30
Холодильник 2–5
Электрочайник 2–10
Тостер 2–10
Телевидение 0.2–2
Персональный компьютер 2–20
Одеяло электрическое 5–30
Фен 10–70
Вентилятор на пьедестале 0,2 - 2

* Примечание. Уровни магнитных полей могут отличаться от указанного диапазона измерений.

Линии электропередач, которые присутствуют в типичных районах, называются «распределительными» линиями, и они работают при более низком напряжении, чем «передающие» линии, которые используют очень высокое напряжение.Однако, как указывалось ранее, сила магнитного поля связана с силой тока, а не с напряжением. Следовательно, близость к высоковольтным линиям не обязательно будет давать высокие показания, если только по этим линиям не проходит большой ток. Типичные значения магнитных полей, измеренные вблизи линий электропередач и подстанций, перечислены в таблице 2. Они намного ниже предела воздействия в международных нормах 2000 мГс.

Таблица 2: Типичные значения магнитных полей, измеренные вблизи линий электропередач и подстанций
Источник Место измерения Диапазон измерений (мГ) *
Распределительная линия (уличные ЛЭП) непосредственно под 2–30
ЛЭП (уличные ЛЭП) на расстоянии 10м 0.5–10
Подстанция у забора подстанции 1–8
Линия электропередачи (ЛЭП высокого напряжения) непосредственно под 10–200
Линия электропередачи (ЛЭП высокого напряжения) на краю сервитута 2–50

* Примечание. Уровни магнитных полей могут отличаться от указанного диапазона измерений.

Как измерить магнитное поле?

Может, стоит включить пару уравнений.Во-первых, две силы, действующие на электрический заряд, можно записать как силу Лоренца.

Да, это векторное произведение магнитной части силы. Кроме того, если у вас есть электрическое поле, изменение электрического потенциала между двумя точками будет:

Если электрическое поле является постоянным как по направлению, так и по величине, то величина изменения электрического потенциала будет просто E * с .

Теперь мы готовы к датчику Холла.Вот небольшой кусок материала с током, помещенный в магнитное поле. Поле будет направлено на экран. Самый простой способ показать этот тип вектора - представить его как «X». Думайте о «X» как о конце стрелки (перья). Позвольте мне просто показать один движущийся электрон в этом материале.

Поскольку ток направлен вверх, скорость электронов будет уменьшаться (отрицательный заряд). Однако произведение на и на будет расти, поскольку заряд отрицательный.Магнитная сила на этом заряде будет слева. Обратите внимание, что эта сила перпендикулярна как скорости, так и магнитному полю.

Что эта магнитная сила делает с движущимся электроном в токе? Ясно, что он не будет двигаться по прямой в направлении течения. Вместо этого электрон будет изгибаться влево. Если все эти электроны в токе изгибаются влево, в конечном итоге на левой стороне этого материала будут избыточные отрицательные заряды.
Поскольку материал имеет общий нейтральный заряд, на правой поверхности также должны быть положительные заряды.

В конечном итоге материал будет выглядеть так (я собираюсь нарисовать только один вектор магнитного поля):

Это изображение немного сложнее, чем я хотел, но вот ключевые моменты:

  • Поверхность заряд накапливается сбоку из-за магнитной силы, действующей на движущиеся носители заряда.
  • Этот поверхностный электрический заряд создает электрическое поле.
  • Электрическое поле (из-за боковых поверхностных зарядов - также существует электрическое поле, которое вызывает ток) оказывает силу на движущиеся заряды.
  • Заряды на боковых поверхностях будут накапливаться до тех пор, пока не появится боковая электрическая сила, которая нейтрализует магнитную силу, и электроны снова не начнут двигаться в направлении провода.
  • Это электрическое поле также означает изменение электрического потенциала в материале (которое мы можем измерить).

Если вы знаете размер материала и скорость электронов (технически называемую скоростью дрейфа), то я могу установить магнитную силу, равную боковой электрической силе.

Изменение электрического потенциала (поперек материала) можно измерить с помощью вольтметра. Если поперечное электрическое поле постоянно, то:

И это дает вам магнитное поле. Конечно, вам все еще нужна скорость дрейфа электронов, но вы можете ее получить, если знаете тип материала и величину электрического тока. Как насчет обзора?

  • Поместите материал в магнитное поле.
  • Пропустите ток через этот материал.
  • Магнитное поле будет создавать "боковое" изменение электрического потенциала в материале, которое вы можете измерить.
  • Используя это изменение потенциала и размера материала, вы получите величину магнитного поля.

Но подождите! У вас нет магнитного поля. Вы получаете составляющую магнитного поля, перпендикулярную датчику. В iPhone (я почти уверен) есть три датчика, так что вы можете получить все три компонента магнитного поля Земли и, таким образом, определить направление магнитного поля.

Конечно, существуют и другие методы измерения магнитного поля, но это два варианта, к которым у вас, вероятно, есть легкий доступ. Я покажу, как вы можете использовать эти методы, чтобы посмотреть на силу различных магнитов, но в более позднем посте.

Глоссарий магнитных терминов

Ниже приводится глоссарий общих терминов, относящихся к магнитным материалам, дизайну и технике:

Воздушный зазор - это зазор с низкой магнитной проницаемостью на пути потока магнитной цепи.Часто воздух, но включает другие материалы, такие как краска, алюминий и т. Д.

Анизотропия, Буквально означает наличие различных свойств в зависимости от направления контроля. Магниты, которые являются анизотропными или имеют легкую ось намагничивания, имеют анизотропию, развиваемую двумя способами: формой и магнитокристаллическим.

As Площадь воздушного зазора, или площадь поперечного сечения воздушного зазора, перпендикулярного пути потока, представляет собой среднюю площадь поперечного сечения той части воздушного зазора, внутри которой происходит прикладное взаимодействие.Площадь измеряется в кв. См. в плоскости, перпендикулярной центральной силовой линии воздушного зазора.

Am Площадь магнита - это площадь поперечного сечения магнита, перпендикулярного центральной силовой линии, измеренная в кв. См. в любой точке по его длине. В конструкции магнита Am обычно считается площадью в нейтральной части магнита.

B Магнитная индукция, - это магнитное поле, создаваемое силой поля H в данной точке. Это векторная сумма в каждой точке вещества напряженности магнитного поля и результирующей собственной индукции.Магнитная индукция - это поток на единицу площади, перпендикулярный направлению магнитного пути.

Bd Остаточная индукция , это любая магнитная индукция, которая остается в магнитном материале после удаления приложенного насыщающего магнитного поля, Hs. (Bd - магнитная индукция в любой точке кривой размагничивания: измеряется в гауссах.)

Bd / Hd , Наклон рабочей линии, представляет собой отношение остаточной индукции Bd к размагничивающей силе Hd. Его также называют коэффициентом проницаемости, линией сдвига, линией нагрузки и единичной проницаемостью.

BdHd Energy product, указывает энергию, которую магнитный материал может подавать во внешнюю магнитную цепь при работе в любой точке своей кривой размагничивания; измеряется в мегагаусс-эрстедах.

(BH) max Максимальное произведение энергии, - это максимальное произведение (BdHd), которое может быть получено на кривой размагничивания.

Bis , (или Дж) Собственная индукция насыщения - это максимальная собственная индукция, возможная в материале.

Bg , Магнитная индукция в воздушном зазоре, - среднее значение магнитной индукции по площади воздушного зазора, А; или это магнитная индукция, измеренная в определенной точке внутри воздушного зазора; измеряется в гауссах.

Bi (или J) ​​Собственная индукция, - это вклад магнитного материала в общую магнитную индукцию B. Это векторная разность между магнитной индукцией в материале и магнитной индукцией, которая существовала бы в вакууме под та же напряженность поля, H.Эта связь выражается уравнением:

Bi = B-H, где: Bi = собственная индукция в гауссах; B = магнитная индукция в Гауссах; H = напряженность поля в эрстедах.

Bm, Индукция отдачи, - это магнитная индукция, которая остается в магнитном материале после намагничивания и подготовки к окончательному использованию; измеряется в гауссах.

Bo, Магнитная индукция, в точке максимального энергетического продукта (BH) max; измеряется в гауссах.

Br, Остаточная индукция (или плотность потока), - магнитная индукция, соответствующая нулевой силе намагничивания в магнитном материале после насыщения в замкнутой цепи; измеряется в гауссах.

Состояние замкнутой цепи возникает, когда внешний путь потока постоянного магнита ограничен материалом с высокой проницаемостью.

Температура Кюри, Температура перехода, выше которой сплав теряет свои магнитные свойства. Это не максимально допустимая температура, которая обычно намного ниже.

Кривая размагничивания - это второй (или четвертый) квадрант основной петли гистерезиса. Точки на этой кривой обозначены координатами Bd и Hd.

Домены, Области из магнитного сплава, имеющие одинаковую ориентацию. Магнитные домены - это области, где атомные моменты атомов взаимодействуют и допускают общий магнитный момент. Это домены, которые вращаются и управляются внешним намагничивающим полем, чтобы создать полезный магнит, который имеет чистый магнитный момент. В немагнитном материале домены не ориентированы и нейтрализуют друг друга. В этом состоянии нет чистого внешнего поля.

Вихревые токи, - это циркулирующие электрические токи, которые индуцируются в электропроводящих элементах при воздействии изменяющихся магнитных полей, создавая силу, противоположную магнитному потоку.Вихревые токи могут использоваться для выполнения полезной работы (например, гашения движения) или могут быть нежелательными последствиями определенных конструкций, которые следует учитывать или сводить к минимуму.

Электромагнит, представляет собой магнит, состоящий из соленоида с железным сердечником, в котором магнитное поле существует только во время протекания тока через катушку.

f Коэффициент сопротивления, учитывает кажущееся сопротивление магнитной цепи. Этот коэффициент необходим из-за того, что H и H рассматриваются как константы.

F Коэффициент утечки, учитывает утечку потока из магнитной цепи. Это соотношение между магнитным потоком в нейтральной части магнита и средним потоком, присутствующим в воздушном зазоре. F = (B мА м) / (B, A г).

F Магнитодвижущая сила, (разность магнитных потенциалов), представляет собой линейный интеграл напряженности поля H между любыми двумя точками, p1 и p2.
p2
F =? H dl
p1
F = магнитодвижущая сила в гильбертах
H = напряженность поля в эрстедах
dl = элемент длины между двумя точками в сантиметрах.

Ферромагнитный материал, - это материал, проницаемость которого намного больше 1 (от 60 до нескольких тысяч раз 1) и который проявляет гистерезисные явления.

Flux - это состояние, существующее в среде, на которую действует сила намагничивания. Эта величина характеризуется тем, что электродвижущая сила индуцируется в проводнике, окружающем поток, в любое время, когда поток изменяется по величине. Единицей измерения потока в cgs является Максвелл.

Измеритель потока - это прибор, который измеряет изменение потокосцепления с помощью поисковой катушки.

Окрашивающие поля представляют собой поток рассеяния, особенно связанный с краевыми эффектами в магнитной цепи.

гаусс - единица магнитной индукции B в электромагнитной системе cgs. Один гаусс равен одному максвеллу на квадратный сантиметр.

Гаусс-метр - это прибор, который измеряет мгновенное значение магнитной индукции B.Его принцип действия обычно основан на одном из следующих факторов: эффекте Холла, ядерном магнитном резонансе (ЯМР) или принципе вращающейся катушки.

gilbert - единица магнитодвижущей силы F в электромагнитной системе cgs.

H Напряженность магнитного поля, (сила намагничивания или размагничивания), является мерой векторной магнитной величины, которая определяет способность электрического тока или магнитного тела индуцировать магнитное поле в данной точке; измеряется в эрстедах.

Hc Коэрцитивная сила материала, равна размагничивающей силе, необходимой для уменьшения остаточной индукции Br до нуля в магнитном поле после намагничивания до насыщения; измеряется в эрстедах.

Hci Собственная коэрцитивная сила материала, <, указывает на его сопротивление размагничиванию. Она равна размагничивающей силе, которая уменьшает внутреннюю индукцию Bi в материале до нуля после намагничивания до насыщения; измеряется в эрстедах.

Hd - это значение H, соответствующее остаточной индукции Bd; на кривой размагничивания, измеряется в эрстедах.

Hmv - это значение H, соответствующее индукции отдачи, B; измеряется в эрстедах.

Ho, - напряженность магнитного поля в точке максимального энергетического произведения (BH) max; измеряется в эрстедах.

Hs, Чистая эффективная сила намагничивания, это сила намагничивания, необходимая в материале для намагничивания до насыщения, измеренная в эрстедах.

Петля гистерезиса - это замкнутая кривая, полученная для материала путем нанесения (обычно в прямоугольных координатах) соответствующих значений магнитной индукции B для ординат и силы намагничивания H для абсцисс, когда материал проходит полный цикл между определенные пределы либо силы намагничивания, H, либо магнитной индукции. Б.

Необратимые потери определяются как частичное размагничивание магнита, вызванное воздействием высоких или низких температур внешних полей или других факторов.Эти потери можно возместить перемагничиванием. Магниты можно стабилизировать от необратимых потерь путем частичного размагничивания, вызванного температурными циклами или внешними магнитными полями.

Дж, см. Bi Собственная индукция.
Дж, см. Bis, Собственная индукция насыщения.

Держатель представляет собой кусок (или кусочки) мягкого железа, который помещают на полюсные поверхности постоянного магнита или между ними, чтобы уменьшить сопротивление воздушного зазора и тем самым уменьшить утечку магнитного потока из магнита.Это также снижает восприимчивость магнита к размагничивающим воздействиям.

Хранители , Хранители - это материал с высокой проницаемостью, обычно низкоуглеродистая сталь, который устанавливается на магнит или магнитный узел для уменьшения сопротивления магнитной цепи. Это уменьшает общие поля утечки, создаваемые магнитом или магнитным узлом. Держатели обычно устанавливаются, чтобы помочь магниту или магнитному узлу противостоять размагничиванию во время обращения, транспортировки или хранения.Держатели обычно находятся на магнитах Alnico и магнитных узлах Alnico.

Изгиб кривой размагничивания - это точка, в которой кривая B-H перестает быть линейной. Все магнитные материалы, даже если их кривые во втором квадранте прямолинейны при комнатной температуре, при некоторой температуре развиваются изгибы. Alnico 5 показывает колено при комнатной температуре. Если рабочая точка магнита опускается ниже колена, небольшие изменения H вызывают большие изменения B, и магнит не сможет восстановить свой исходный выходной магнитный поток без повторного намагничивания.

Поток утечки - это поток ø, путь которого выходит за пределы полезной или предполагаемой магнитной цепи; измеряется в максвеллах.

lg Длина воздушного зазора , - длина пути центральной магнитной линии воздушного зазора; измеряется в сантиметрах.

лм Длина магнита, - это общая длина материала магнита, проходящего за один полный оборот центральной линии магнитной цепи; измеряется в сантиметрах.

лм / диаметр Отношение размеров , это отношение длины магнита к его диаметру или диаметра круга с эквивалентной площадью поперечного сечения.Для простых геометрических фигур, таких как стержни и стержни, отношение размеров связано с наклоном рабочей линии магнита BdHa.

Линия нагрузки - это линия, проведенная от начала кривой размагничивания с наклоном B / H, пересечение которой с кривой B-H представляет рабочую точку магнита. Также см. Коэффициент проницаемости.

Магнитные сборки, Комбинация материалов, магнитных и немагнитных, которые образуют конкретное решение.Включает постоянный магнит в качестве генератора потока и обычно использует низкоуглеродистую сталь для передачи потока к рабочей поверхности. Позволяет улучшить средства крепления резьбовых отверстий, резьб, прессовой посадки и т. Д.

Магнитная цепь , узел, состоящий из некоторых или всего следующего: постоянные магниты, ферромагнитные проводящие элементы, воздушные зазоры и электрические токи.

Магнитная длина, Физическая длина измерения магнита, которая соответствует направлению намагничивания магнита.Это может быть направление ориентации магнита, а может и не быть.

Основная петля гистерезиса материала - это замкнутая петля, полученная, когда материал циклически переключается между положительным и отрицательным насыщением.

maxwell - это единица измерения магнитного потока в электромагнитной системе cgs. Один максвелл - это одна линия магнитного потока.

Нейтральная секция постоянного магнита определяется плоскостью, проходящей через магнит перпендикулярно его центральной магнитной линии в точке максимального магнитного потока.

Северный полюс - это полюс магнита, который при свободном подвешивании будет указывать на северный магнитный полюс Земли. Определение полярности может сбивать с толку, и часто лучше всего уточнить, используя «северный полюс поиска» вместо «северного полюса» в спецификациях.

эрстед - единица измерения напряженности магнитного поля H в электромагнитной системе cgs. Один эрстед равен магнитодвижущей силе в один гильбер на сантиметр пути потока.

Состояние разомкнутой цепи существует, когда намагниченный магнит сам по себе не имеет внешнего пути потока из материала с высокой проницаемостью.

Рабочая линия для данной цепи постоянного магнита - это прямая линия, проходящая через начало кривой размагничивания с отрицательным наклоном Bd / Hd. (Также известна как линия коэффициента проницаемости.)

Рабочая точка постоянного магнита - это точка на кривой размагничивания, определяемая координатами (BdHd), или точка внутри кривой размагничивания, определяемая координатами (BmHm).

Направление ориентации - это направление, в котором анизотропный магнит должен быть намагничен для достижения оптимальных магнитных свойств. Также известна как «ось», «легкая ось» или «угол наклона».

Ориентированный (анизотропный) материал - это материал, который имеет лучшие магнитные свойства в заданном направлении.

Парамагнитный материал, - материал, проницаемость которого немного превышает 1.

Пермеаметр - это прибор, который может измерять и часто записывать магнитные характеристики образца.

P Проницаемость, - величина, обратная сопротивлению R, измеренному в максвеллах на гильберт.

Полюса, - это ферромагнитные материалы, размещаемые на магнитных полюсах, используемые для придания формы и изменения эффекта линий магнитного потока.

R Сопротивление , в некоторой степени аналогично электрическому сопротивлению. Это величина, которая определяет магнитный поток ø, возникающий в результате заданной магнитодвижущей силы F.
Где: R = F / ø
R = сопротивление, в гильбертах на максвелл
F = магнитодвижущая сила, I gilberts
Ø = поток в максвеллах.

Обратный путь - это проводящие элементы в магнитной цепи, которые обеспечивают путь с низким сопротивлением для магнитного потока.

Насыщение, Состояние, при котором увеличение приложенного внешнего поля не приводит к увеличению индукции. Когда это условие выполняется, все элементарные магнитные моменты имеют одинаковое выравнивание. Это условие важно для сплавов с постоянными магнитами и ферромагнитных сплавов. Магнитные сплавы всегда должны быть намагничены до насыщения.Магнит нельзя использовать на этом уровне, но перед кондиционированием и стабилизацией магнит всегда необходимо сначала намагнитить до насыщения. Обычно не следует превышать насыщение в ферромагнитных сплавах, которые составляют элементы ярма или обратного пути магнитной цепи. Если ферромагнитные элементы насыщены, в системе возникнет утечка магнитного потока, и следует подумать о перепроектировании.

Поисковая катушка представляет собой спиральный проводник, обычно известной площади и количества витков, который используется с измерителем потока для измерения изменения магнитной связи с катушкой.

Спеченный, Спеченный магнит состоит из спрессованного порошка, который затем подвергается операции термообработки, при которой достигается полная плотность и магнитная ориентация.

Стабилизация, - это воздействие на магнит размагничивающих воздействий, ожидаемых при использовании, для предотвращения необратимых потерь во время реальной работы. Размагничивающие воздействия могут быть вызваны высокими или низкими температурами или внешними магнитными полями.

Tc, температура Кюри, это температура перехода, выше которой материал теряет свои магнитные свойства.

T max Максимальная рабочая температура, - максимальная температура, которой может подвергаться магнит без значительной нестабильности на больших расстояниях или структурных изменений.

Обратимые температурные коэффициенты - это изменения потока, которые происходят при изменении температуры. Они самопроизвольно восстанавливаются, когда температура возвращается к исходной точке.Магнитное насыщение материала существует, когда увеличение силы намагничивания не приводит к увеличению собственной индукции.

Температурный коэффициент - это коэффициент, который описывает обратимое изменение магнитных свойств при изменении температуры. Магнитное свойство самопроизвольно возвращается, когда температура возвращается к исходной точке. Обычно это выражается в процентах изменения на единицу температуры.

Неориентированный (изотропный) материал имеет одинаковые магнитные свойства во всех направлениях.

Vg Объем воздушного зазора, - полезный объем воздуха или немагнитного материала между магнитными полюсами; измеряется в кубических сантиметрах.

Weber , практическая единица магнитного потока. Это величина магнитного потока, который, будучи связан с однородной скоростью с однооборотным электрическим током в течение интервала в 1 секунду, будет индуцировать в этой цепи электродвижущий элемент силой 1 вольт.

µ магнитная проницаемость - это общий термин, используемый для выражения различных соотношений между магнитной индукцией B и напряженностью поля H.

µre проницаемость отдачи , это средний наклон петли гистерезиса отдачи. Также известен как второстепенная петля.

Магнитный поток ø, - это надуманная, но измеримая концепция, которая была разработана в попытке описать «поток» магнитного поля. Математически это поверхностный интеграл нормальной составляющей магнитной индукции B по площади A.
ø = ?? B • dA
, где:
ø = магнитный поток, в максвеллах
B = магнитная индукция, дюйм gauss
dA = элемент площади в квадратных сантиметрах
Когда магнитная индукция B равномерно распределена и перпендикулярна площади, A, поток ø = BA.

Разница между измерением магнитного потока и магнитных полей

Проще говоря, магнитное поле аналогично электрическому напряжению, а магнитный поток аналогичен электрическому току. Магнитная цепь аналогична электрической цепи с важными отличиями. Электродвижущая сила в электрической цепи соответствует магнитодвижущей силе. Сопротивление и обратная ему проводимость в электрической цепи соответствуют сопротивлению и его обратной магнитной проницаемости в цепи магнита.Но есть тонкие способы, в которых силы соответствуют лишь приблизительно, а сравнения несовершенные.

Другими словами, напряженность магнитного поля (H в амперах на метр) - это величина силы намагничивания. Эта сила прямо пропорциональна току, переносимому проводником, и длине проводника. Плотность магнитного потока (B в теслах или Вебер / м 2 ) - это величина магнитной силы, наведенной на данное тело из-за силы намагничивания H. Величина индуцированной магнитной силы зависит от силы H и природы Средняя.

Намагниченное тело имеет северный и южный полюсы, и эти полюса всегда существуют в связанных парах. Если разрезать стержневой магнит пополам, чтобы сделать два более коротких стержневых магнита, каждый из новых магнитов будет иметь северный и южный полюса. Магнитный монополь так и не был обнаружен.

Железные опилки образуют магнитомагнитные силовые линии.

Магнитное поле, связанное с постоянным магнитом, можно продемонстрировать, поместив лист бумаги поверх магнита и беспорядочно посыпав его железными опилками.Каждая частица быстро намагничивается своим собственным северным и южным полюсами, и поскольку их противоположные полюса притягиваются, они образуют линии, представляющие магнитное поле. Плотность линий (количество линий на миллиметр) и направление линий показывают, что магнитное поле является векторным полем. Линии меняют направление и становятся ближе друг к другу или дальше друг от друга по мере изменения плотности поля.

Железные опилки могут показывать направление и напряженность магнитного поля, но это не само векторное поле.Они похожи на следы на песке или рябь в движущемся потоке, а не на воду. B и H пропорциональны в вакууме, но расходятся внутри магнитных материалов. Намагниченность, обозначаемая буквой M в верхнем регистре, является мерой степени реакции материалов на приложенное поле B. Диамагнитные материалы создают намагниченность, противодействующую приложенному полю. Парамагнитные материалы создают намагниченность в том же направлении, что и приложенное поле.

В обоих случаях M обычно пропорционально приложенному магнитному полю.Связь между B и H такова: B = μH, где μ - проницаемость среды, через которую проходит поток. Проницаемость различается для разных материалов и часто является гистерезисной, что означает, что она демонстрирует гистерезис в своей реакции на магнитные поля. Железо очень проницаемо для магнитного потока.

Магнитный поток сначала определяется количественно путем создания воображаемой поверхности. Эта поверхность представляет собой строго математическую конструкцию и может совпадать с поверхностью магнита или пересекать ее. Магнитный поток - это величина потока, протекающего через поверхность.В частности, это большее количество линий, проходящих через поверхность в одном направлении, за вычетом небольшого количества линий, проходящих через поверхность в противоположном направлении, или ноль, если они равны.

Соответствующее уравнение для плотности магнитного потока Φ: Φ = BA cosθ. A представляет собой площадь поверхности. Если поверхность перпендикулярна магнитному полю, cosθ = 1. Если поверхность расположена под углом к ​​силовым линиям, cosθ меньше единицы. Единица измерения магнитного потока в системе СИ - Вебер.Плотность магнитного потока - это магнитный поток, деленный (векторно, если он находится под углом) на площадь поверхности в единицах тесла.

Электрический ток в проводке, созданной человеком, протекает по изолированным проводникам. В магнитной области нет абсолютных изоляторов, но вместо этого все материалы имеют большее или меньшее сопротивление, то есть меньшую или большую магнитную проницаемость. Вот почему в эксперименте с железными опилками линии, представляющие магнитное поле, выходят далеко за пределы реального магнита. В двигателях, трансформаторах и подобных устройствах магнитный поток проходит через железные сердечники для выполнения желаемой работы.

Магнитный поток, движущийся через магнитную цепь приложенной магнитодвижущей силой, выражается как F = ϕR, где F - магнитодвижущая сила, действующая во всей или части магнитной цепи, ϕ - магнитный поток, проходящий через данный сегмент, а R - магнитный поток. сопротивление сегмента.

Определяющее различие между электрической цепью и цепью магнитодвижущей силы состоит в том, что рассеяние мощности связано с сопротивлением, а не с реактивным сопротивлением. Электрическое поле заставляет ток следовать по пути наименьшего сопротивления, а магнитное поле заставляет магнитный поток следовать по пути наименьшего сопротивления.

Уравнения Максвелла утверждают, что магнитный поток всегда образует замкнутый контур. Магнитные цепи нелинейны. Сопротивление различается в зависимости от магнитного поля. Когда магнитный поток поднимается выше определенного уровня, проницаемый материал насыщается, поэтому не может быть дальнейшего увеличения магнитного потока, который ограничен сопротивлением убегающему сопротивлению. В резистивной электрической цепи такого явления не происходит.

Земной магнитометр в действии.

Типичный способ измерения магнитных полей - с помощью магнитометра.Векторные магнитометры измеряют векторные компоненты магнитного поля, тогда как магнитометры полного поля или скалярные магнитометры измеряют только величину векторного магнитного поля.

В магнитометрах используется несколько технологий. Обычный компас - это, по сути, простой магнитометр. Стрелка измеряет направление поля. Частота колебаний намагниченной иглы пропорциональна квадратному корню из силы окружающего магнитного поля.

Одной из самых простых технологий магнитометров является индуктивная считывающая катушка, которая измеряет намагниченность путем определения тока, индуцируемого в катушке, вызванного изменением магнитного момента образца.Намагниченность образца можно изменить, приложив небольшое переменное магнитное поле (или быстро меняющееся постоянное поле), как в импульсных магнитах с конденсаторным приводом. Эти измерения требуют различения магнитного поля, создаваемого образцом, и внешнего приложенного поля, часто за счет использования катушек компенсации. Обычно половина приемной катушки намотана в одном направлении, а другая половина - в другом. Образец находится только в одной половине. Внешнее однородное магнитное поле обнаруживается обеими половинами катушки.Поскольку они намотаны встречной намоткой, внешнее магнитное поле не производит чистого сигнала.

Существует множество более экзотических технологий магнитометров. Магнитометры с вибрирующим образцом (VSM) обнаруживают намагничивание образца путем механической вибрации образца внутри индукционной сенсорной катушки или катушки SQUID. Измеряется наведенный ток или изменяющийся магнитный поток в катушке. Магнитометрия с извлечением импульсного поля также использует считывающие катушки для измерения намагниченности. Здесь образец закреплен, и внешнее магнитное поле быстро изменяется.Затем необходимо использовать один из нескольких методов, чтобы нейтрализовать внешнее поле, создаваемое образцом. К ним относятся катушки с противообмоткой, которые нейтрализуют внешнее однородное поле и измерения фона при удалении образца из катушки.

Флюксметр.

Магнитный поток обычно измеряется с помощью измерителя потока, который содержит измерительные катушки и электронику, которая оценивает изменение напряжения в измерительных катушках для расчета измерения магнитного потока.

Флюксметры

- это в основном интеграторы, используемые из-за физической взаимосвязи между катушками проволоки и магнитным потоком.Мгновенное напряжение, создаваемое на катушке, пропорционально количеству витков в катушке, умноженному на скорость изменения магнитного потока. Проблематично использовать это соотношение скорости изменения непосредственно для измерений постоянного тока, потому что напряжение исчезает, как только поток перестает изменяться. Напряжение также пропорционально скорости изменения магнитного потока, а не общему изменению магнитного потока, которое обычно является параметром, представляющим интерес.

Если напряжение на катушке интегрировать, чтобы посмотреть на область под ней в зависимости от времени, вышеуказанные проблемы исчезнут.Выход интегратора пропорционален общему изменению потока, и скорость изменения не имеет значения.

Руководство по выбору приборов магнитного поля

: типы, характеристики, применение

Приборы для измерения магнитного поля - это устройства, используемые для измерения магнитного поля или потока вокруг постоянных магнитов, катушек и электрических устройств. К ним относятся счетчики, датчики, датчики, самописцы и другие приборы. Выбор конкретного прибора для измерения магнитного поля зависит от типа необходимого устройства, технологии, которую он реализует, его формы, выходов и интерфейсов, а также различных технических характеристик.

Тип устройства

К приборам для измерения магнитного поля относятся магнитометры и гауссметры (Тесла-метры). Магнитометры и гауссметры иногда используются как взаимозаменяемые для описания устройств, используемых для измерения напряженности магнитного поля. Однако их можно различить по типу измеряемой напряженности поля. Гауссметры считаются устройствами для высоких напряжений поля, в то время как магнитометры используются для слабых полей. В частности, говорят, что гауссметры измеряют магнитное поле выше 1 мТл (миллиТесла), в то время как устройства, измеряющие поля ниже этого значения, считаются магнитометрами.

Инструментальная техника

Приборы для измерения магнитного поля включают несколько типов сенсорных технологий. В зависимости от диапазона чувствительности, для которой могут быть разработаны устройства, их можно рассматривать как гауссметры, магнитометры или и то, и другое.

Гауссметры

Устройства на эффекте Холла преобразуют энергию, накопленную в магнитном поле, в электрический сигнал, создавая напряжение между двумя краями проводника с током, грани которого перпендикулярны магнитному полю.

Магнитодиоды представляют собой двухконтактные устройства на эффекте Холла, аналогичные обычным биполярным диодам. Вольт-амперная характеристика магнитодиода чувствительна к магнитному полю.

Магнитотранзисторы состоят из биполярного транзистора, размещенного на поверхности полупроводника. Это трехконтактные устройства, состоящие из эмиттерной области, удлиненной базовой области и коллекторной области. Наличие магнитного поля в основной области создает напряжение эффекта Холла, которое создает импульс на линии передачи.

Магнитометры

Магнитометры - это приборы для измерения магнитного поля для высокочувствительных приложений, обнаруживающих поля низкой напряженности. Их можно классифицировать как векторные или скалярные устройства на основе их способности определять направление поля в дополнение к его напряженности.

Скалярные магнитометры измеряют только звездную величину.

Прецессия протонов В устройствах используются жидкости, такие как керосин и метанол, с высокой плотностью атомов водорода.

Приборы с оптической накачкой поляризуют газообразную щелочь с помощью световой волны определенной длины. Радиочастотный сигнал модулируется для определения его оптимальной частоты деполяризации - эта частота деполяризации изменяется в зависимости от окружающего магнитного поля.

Устройства Оверхаузера или ядерной прецессии объединяют жидкость, богатую электронами, с водородом, а затем подвергают смесь воздействию радиочастотного (RF) сигнала.

Магнитометры Vector измеряют как величину, так и направление.

СКВИДы или сверхпроводящие устройства квантовой интерференции состоят из двух сверхпроводников, разделенных тонкими изолирующими слоями, которые образуют два параллельных джозефсоновских перехода. Чаще всего они используются для измерения магнитных полей, создаваемых мозговой или сердечной деятельностью.

Atomic Магнитометры SERF достигают очень высокой чувствительности к магнитному полю, контролируя пары атомов щелочных металлов высокой плотности, прецессирующие в почти нулевом магнитном поле.Это одни из самых чувствительных датчиков магнитного поля.

Магнитный затвор или катушка Приборы измеряют разницу в магнитном поле на концах вертикального стержня и наносят эту информацию на сетку.

Магнитоиндуктивные устройства состоят из катушки, которая окружает ферромагнитный сердечник, проницаемость которого изменяется в пределах магнитного поля Земли.

Комплексные технологии

Магниторезистивные приборы измеряют электрическое сопротивление в зависимости от приложенного или окружающего магнитного поля.Они могут быть построены как магнитометры для более чувствительных приложений или как гауссметры для более сильных магнитных полей.

Форма

Приборы для измерения магнитного поля могут быть портативными или вмонтированными. Для полевых приложений и тех, где требуется портативность, может потребоваться портативная форма. Установленные формы обычно представляют собой более крупные устройства, встроенные в более крупную передвижную единицу или транспортное средство, или используются в стационарных лабораториях или зданиях.

Выходы и интерфейсы

Для прибора магнитного поля важно иметь выходы и интерфейсы, которые могут использоваться оператором и быть совместимыми с другими встроенными системами.Приборы магнитного поля различаются электрическими выходами. Аналоговые уровни тока, такие как 4-20 мА, подходят для передачи сигналов на большие расстояния. Аналоговые напряжения - это простые, обычно линейные функции. Модулированные аналоговые выходные сигналы кодируются, но остаются аналоговыми по своей природе. Примеры включают синусоидальную волну, пульсовую волну, сигналы амплитудной модуляции (AM) и частотной модуляции (FM). Доступно несколько цифровых выходов. RS232, RS422 и RS485 - это обычные последовательные цифровые протоколы. Популярные параллельные протоколы включают интерфейсную шину общего назначения (GPIB), стандарт, также известный как IEEE 488.Другие цифровые выходы для приборов магнитного поля включают сигналы транзисторно-транзисторной логики (TTL). Также доступны выходы, которые изменяют состояние переключателя или аварийного сигнала.

Технические характеристики

Инструменты для работы с магнитным полем можно выбрать на основе ряда различных спецификаций, связанных с характеристиками устройства.

  • Измерение плотности потока - это диапазон, в котором датчик или прибор предназначен для измерения, часто соответствующий области линейного выхода сенсорной технологии.
  • Точность срабатывания - это требуемая точность измерения устройства.
  • Разрешение - это наименьшее возможное приращение измерения с устройством. Инструмент с более высоким разрешением может выполнять меньшие измерения.
  • Полоса пропускания - это диапазон частот, в котором устройство соответствует требованиям к точности. Точность ухудшается с более низкими частотами, если устройство не способно реагировать на постоянный ток. Точность также ухудшается около и выше резонансных частот, где его выходной отклик падает.
  • Рабочая температура - это диапазон температур, в котором устройство должно работать
Кредит изображения:

MicroSense | Ohio Semitronics | Extech Instruments


Магнитный поток, индукция и закон Фарадея

Индуцированные ЭДС и магнитный поток

Закон индукции Фарадея гласит, что электродвижущая сила индуцируется изменением магнитного потока.

Цели обучения

Объясните взаимосвязь между магнитным полем и электродвижущей силой

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Это изменение потока магнитного поля, которое приводит к возникновению электродвижущей силы (или напряжения).
  • Магнитный поток (часто обозначаемый Φ или Φ B ), проходящий через поверхность, является составляющей магнитного поля, проходящего через эту поверхность.
  • В самом общем виде магнитный поток определяется как [латекс] \ Phi _ {\ text {B}} = \ iint _ {\ text {A}} \ mathbf {\ text {B}} \ cdot \ text {d} \ mathbf {\ text {A}} [/ latex].Это интеграл (сумма) всего магнитного поля, проходящего через бесконечно малые элементы площади dA.
Ключевые термины
  • векторная площадь : вектор, величина которого соответствует рассматриваемой области и направление которого перпендикулярно площади поверхности.
  • гальванометр : Аналоговое измерительное устройство, обозначенное буквой G, которое измеряет ток, используя отклонение стрелки, вызванное силой магнитного поля, действующей на провод с током.

Индуцированная ЭДС

Аппарат, использованный Фарадеем для демонстрации того, что магнитные поля могут создавать токи, показан на следующем рисунке. Когда переключатель замкнут, магнитное поле создается в катушке в верхней части железного кольца и передается (или направляется) на катушку в нижней части кольца. Гальванометр используется для обнаружения любого тока, наведенного в отдельной катушке внизу.

Аппарат Фарадея : Это аппарат Фарадея для демонстрации того, что магнитное поле может производить ток.Изменение поля, создаваемого верхней катушкой, вызывает ЭДС и, следовательно, ток в нижней катушке. Когда переключатель разомкнут и замкнут, гальванометр регистрирует токи в противоположных направлениях. Когда переключатель остается замкнутым или разомкнутым, через гальванометр не течет ток.

Было обнаружено, что каждый раз, когда переключатель замыкается, гальванометр обнаруживает ток в одном направлении в катушке внизу. Каждый раз при размыкании переключателя гальванометр обнаруживает ток в противоположном направлении.Интересно, что если переключатель остается замкнутым или разомкнутым в течение некоторого времени, через гальванометр нет тока. Замыкание и размыкание переключателя индуцирует ток. Это изменение магнитного поля, которое создает ток. Более важным, чем текущий ток, является вызывающая его электродвижущая сила (ЭДС). Ток является результатом ЭДС, индуцированной изменяющимся магнитным полем, независимо от того, есть ли путь для протекания тока.

Магнитный поток

Магнитный поток (часто обозначаемый Φ или Φ B ), проходящий через поверхность, является составляющей магнитного поля, проходящего через эту поверхность.Магнитный поток через некоторую поверхность пропорционален количеству силовых линий, проходящих через эту поверхность. Магнитный поток, проходящий через поверхность с векторной площадью А, равен

.

[латекс] \ Phi_ \ text {B} = \ mathbf {\ text {B}} \ cdot \ mathbf {\ text {A}} = \ text {BA} \ cos \ theta [/ latex],

, где B - величина магнитного поля (в Тесла, Тл), A - площадь поверхности, а θ - угол между силовыми линиями магнитного поля и нормалью (перпендикулярно) к A.

Для переменного магнитного поля мы сначала рассмотрим магнитный поток [латекс] \ text {d} \ Phi _ \ text {B} [/ latex] через бесконечно малый элемент площади dA, где мы можем считать поле постоянным:

Переменное магнитное поле : Каждая точка на поверхности связана с направлением, называемым нормалью к поверхности; магнитный поток, проходящий через точку, тогда является составляющей магнитного поля вдоль этого нормального направления.

[латекс] \ text {d} \ Phi_ \ text {B} = \ mathbf {\ text {B}} \ cdot \ text {d} \ mathbf {\ text {A}} [/ latex]

Общая поверхность A затем может быть разбита на бесконечно малые элементы, и тогда полный магнитный поток через поверхность равен интегралу поверхности

[латекс] \ Phi_ \ text {B} = \ iint_ \ text {A} \ mathbf {\ text {B}} \ cdot \ text {d} \ mathbf {\ text {A}} [/ latex].

Закон индукции Фарадея и закон Ленца

Закон индукции Фарадея гласит, что ЭДС, индуцированная изменением магнитного потока, равна [латексу] \ text {EMF} = - \ text {N} \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta \ text {t}} [ / латекс], когда поток изменяется на Δ за время Δt.

Цели обучения

Выразите закон индукции Фарадея в форме уравнения

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Минус в законе Фарадея означает, что ЭДС создает ток I и магнитное поле B, которые противодействуют изменению потока Δ, известному как закон Ленца.
  • Закон индукции Фарадея является основным принципом работы трансформаторов, индукторов и многих типов электродвигателей, генераторов и соленоидов.
  • Закон Фарадея гласит, что ЭДС, вызванная изменением магнитного потока, зависит от изменения магнитного потока Δ, времени Δt и количества витков катушек.
Ключевые термины
  • электродвижущая сила : (ЭДС) - напряжение, генерируемое батареей или магнитной силой в соответствии с законом Фарадея.Она измеряется в вольтах, а не в ньютонах, и поэтому на самом деле не является силой.
  • соленоид : Катушка с проволокой, которая действует как магнит, когда через нее протекает электрический ток.
  • поток : Скорость передачи энергии (или другой физической величины) через заданную поверхность, в частности электрического или магнитного потока.

Закон индукции Фарадея

Закон индукции Фарадея - это основной закон электромагнетизма, который предсказывает, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрической цепью, создавая электродвижущую силу (ЭДС).Это основной принцип работы трансформаторов, индукторов и многих типов электродвигателей, генераторов и соленоидов.

Эксперименты Фарадея показали, что ЭДС, вызванная изменением магнитного потока, зависит только от нескольких факторов. Во-первых, ЭДС прямо пропорциональна изменению потока Δ. Во-вторых, ЭДС является наибольшей, когда изменение во времени Δt наименьшее, то есть ЭДС обратно пропорциональна Δt. Наконец, если катушка имеет N витков, будет произведена ЭДС, которая в N раз больше, чем для одиночной катушки, так что ЭДС прямо пропорциональна N.Уравнение для ЭДС, вызванной изменением магнитного потока, равно

[латекс] \ text {EMF} = - \ text {N} \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta \ text {t}} [/ latex].

Это соотношение известно как закон индукции Фарадея. Единицы измерения ЭДС, как обычно, - вольты.

Закон Ленца

Знак минус в законе индукции Фарадея очень важен. Минус означает, что ЭДС создает ток I и магнитное поле B, которые противодействуют изменению потока Δ, известному как закон Ленца. Направление (обозначенное знаком минус) ЭМП настолько важно, что оно названо законом Ленца в честь русского Генриха Ленца (1804–1865), который, подобно Фарадею и Генри, независимо исследовал аспекты индукции.Фарадей знал о направлении, но Ленц указал его, поэтому ему приписывают это открытие.

Закон Ленца : (a) Когда стержневой магнит вдавливается в катушку, сила магнитного поля в катушке увеличивается. Ток, наведенный в катушке, создает другое поле в направлении, противоположном стержневому магниту, чтобы противодействовать увеличению. Это один из аспектов закона Ленца: индукция препятствует любому изменению потока. (b) и (c) - две другие ситуации. Убедитесь сами, что показанное направление индуцированной катушки B действительно противостоит изменению магнитного потока и что показанное направление тока согласуется с правилом правой руки.

Энергосбережение

Закон Ленца является проявлением сохранения энергии. Индуцированная ЭДС создает ток, который противодействует изменению потока, потому что изменение потока означает изменение энергии. Энергия может входить или уходить, но не мгновенно. Закон Ленца - это следствие. Когда изменение начинается, закон гласит, что индукция противодействует и, таким образом, замедляет изменение. Фактически, если бы индуцированная ЭДС была в том же направлении, что и изменение потока, была бы положительная обратная связь, которая не давала бы нам бесплатную энергию из любого видимого источника - закон сохранения энергии был бы нарушен.

Движение ЭДС

Движение в магнитном поле, которое является стационарным относительно Земли, вызывает ЭДС движения (электродвижущую силу).

Цели обучения

Определить процесс, вызывающий двигательную электродвижущую силу

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Закон индукции Фарадея можно использовать для расчета ЭДС движения, когда изменение магнитного потока вызвано движущимся элементом в системе.
  • То, что движущееся магнитное поле создает электрическое поле (и, наоборот, движущееся электрическое поле создает магнитное поле), является частью причины, по которой электрические и магнитные силы теперь рассматриваются как разные проявления одной и той же силы.
  • Любое изменение магнитного потока индуцирует электродвижущую силу (ЭДС), противодействующую этому изменению - процесс, известный как индукция. Движение - одна из основных причин индукции.
Ключевые термины
  • электродвижущая сила : (ЭДС) - напряжение, генерируемое батареей или магнитной силой в соответствии с законом Фарадея. Она измеряется в вольтах, а не в ньютонах, и поэтому на самом деле не является силой.
  • магнитный поток : мера силы магнитного поля в заданной области.
  • индукция : Генерация электрического тока изменяющимся магнитным полем.

Как было замечено в предыдущих атомах, любое изменение магнитного потока индуцирует электродвижущую силу (ЭДС), противодействующую этому изменению - процесс, известный как индукция. Движение - одна из основных причин индукции. Например, магнит, перемещенный к катушке, индуцирует ЭДС, а катушка, перемещенная к магниту, создает аналогичную ЭДС. В этом Атоме мы концентрируемся на движении в магнитном поле, которое является стационарным относительно Земли, производя то, что в общих чертах называется двигательной ЭДС.

ЭДС движения

Рассмотрим ситуацию, показанную на. Стержень перемещается со скоростью v по паре проводящих рельсов, разделенных расстоянием ℓ в однородном магнитном поле B. Рельсы неподвижны относительно B и соединены с неподвижным резистором R ( резистором может быть что угодно от лампочки до вольтметра). Учтите площадь, ограниченную подвижным стержнем, направляющими и резистором. B перпендикулярно этой области, и площадь увеличивается по мере перемещения стержня. Таким образом, магнитный поток между рельсами, стержнем и резистором увеличивается.Когда поток изменяется, ЭДС индуцируется согласно закону индукции Фарадея.

ЭДС движения : (a) ЭДС движения = Bℓv индуцируется между рельсами, когда этот стержень перемещается вправо в однородном магнитном поле. Магнитное поле B направлено внутрь страницы, перпендикулярно движущемуся стержню и рельсам и, следовательно, к области, окружающей их. (б) Закон Ленца дает направление индуцированного поля и тока, а также полярность наведенной ЭДС. Поскольку поток увеличивается, индуцированное поле направлено в противоположном направлении или за пределы страницы.Правило правой руки дает указанное направление тока, и полярность стержня будет управлять таким током.

Чтобы найти величину ЭДС, индуцированной вдоль движущегося стержня, мы используем закон индукции Фарадея без знака:

[латекс] \ text {EMF} = \ text {N} \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta \ text {t}} [/ latex].

В этом уравнении N = 1 и поток Φ = BAcosθ. Имеем θ = 0º и cosθ = 1, так как B перпендикулярно A. Теперь Δ = Δ (BA) = BΔA, поскольку B однородна. Отметим, что площадь, заметаемая стержнем, равна ΔA = ℓx.Ввод этих величин в выражение для ЭДС дает:

[латекс] \ text {EMF} = \ frac {\ text {B} \ Delta \ text {A}} {\ Delta \ text {t}} = \ text {B} \ frac {\ text {l} \ Дельта \ text {x}} {\ Delta \ text {t}} = \ text {Blv} [/ latex].

Чтобы найти направление индуцированного поля, направление тока и полярность наведенной ЭДС, мы применяем закон Ленца, как объяснено в Законе индукции Фарадея: Закон Ленца. Как видно на рис. 1 (b), уровень освещенности увеличивается, так как увеличивается закрытая площадь.Таким образом, индуцированное поле должно противостоять существующему и быть вне страницы. (Правило правой руки требует, чтобы я вращался против часовой стрелки, что, в свою очередь, означает, что верхняя часть стержня положительна, как показано.)

Электрическое поле против магнитного поля

Между электрической и магнитной силой существует множество связей. То, что движущееся магнитное поле создает электрическое поле (и, наоборот, движущееся электрическое поле создает магнитное поле), является частью причины, по которой электрические и магнитные силы теперь рассматриваются как различных проявления одной и той же силы (впервые замечено Альбертом Эйнштейном) .Это классическое объединение электрических и магнитных сил в так называемую электромагнитную силу является источником вдохновения для современных усилий по объединению других основных сил.

Обратная ЭДС, вихревые токи и магнитное демпфирование

Обратная ЭДС, вихревые токи и магнитное затухание - все это происходит из-за наведенной ЭДС и может быть объяснено законом индукции Фарадея.

Цели обучения

Объясните взаимосвязь между двигательной электродвижущей силой, вихревыми токами и магнитным демпфированием

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Входная ЭДС, которая питает двигатель, может быть противодействовать собственной ЭДС двигателя, называемой обратной ЭДС двигателя.
  • Если ЭДС движения может вызвать токовую петлю в проводнике, ток называется вихревым током.
  • Вихревые токи могут вызывать значительное сопротивление, называемое магнитным затуханием, при движении.
Ключевые термины
  • электродвижущая сила : (ЭДС) - напряжение, генерируемое батареей или магнитной силой в соответствии с законом Фарадея. Она измеряется в вольтах, а не в ньютонах, и поэтому на самом деле не является силой.
  • Закон индукции Фарадея : основной закон электромагнетизма, который предсказывает, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрической цепью, создавая электродвижущую силу (ЭДС).

Задний ЭДС

Двигатели и генераторы очень похожи. (Прочтите наши атомы в разделах «Электрические генераторы» и «Электродвигатели».) Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую, а двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую. Кроме того, двигатели и генераторы имеют одинаковую конструкцию. Когда катушка двигателя поворачивается, магнитный поток изменяется, и возникает электродвижущая сила (ЭДС), соответствующая закону индукции Фарадея. Таким образом, двигатель действует как генератор всякий раз, когда его катушка вращается.Это произойдет независимо от того, поворачивается ли вал под действием внешнего источника, например ременной передачи, или под действием самого двигателя. То есть, когда двигатель выполняет работу и его вал вращается, возникает ЭДС. Закон Ленца говорит нам, что наведенная ЭДС противодействует любому изменению, так что входной ЭДС, питающей двигатель, будет противодействовать самогенерируемая ЭДС двигателя, называемая обратной ЭДС двигателя.

Вихретоковый

Как обсуждалось в «ЭДС движения», ЭДС движения индуцируется, когда проводник движется в магнитном поле или когда магнитное поле движется относительно проводника.Если подвижная ЭДС может вызвать токовую петлю в проводнике, мы называем этот ток вихревым. Вихревые токи могут вызывать значительное сопротивление, называемое магнитным затуханием, при движении.

Рассмотрим устройство, показанное на рисунке, которое раскачивает маятник между полюсами сильного магнита. Если боб металлический, то при входе в поле и выходе из поля он испытывает значительное сопротивление, что быстро гасит движение. Однако, если боб представляет собой металлическую пластину с прорезями, как показано на (b), эффект от магнита будет гораздо меньше.Заметного воздействия на боб из изолятора не наблюдается.

Устройство для исследования вихревых токов и магнитного затухания : Обычное демонстрационное устройство по физике для исследования вихревых токов и магнитного затухания. (а) Движение металлического маятника, раскачивающегося между полюсами магнита, быстро затухает под действием вихревых токов. (b) Есть небольшое влияние на движение металлического боба с прорезями, что означает, что вихревые токи становятся менее эффективными. (c) На непроводящем бобе также отсутствует магнитное затухание, поскольку вихревые токи чрезвычайно малы.

показывает, что происходит с металлической пластиной, когда она входит в магнитное поле и выходит из него. В обоих случаях он испытывает силу, противодействующую его движению. Когда он входит слева, поток увеличивается, и поэтому возникает вихревой ток (закон Фарадея) в направлении против часовой стрелки (закон Ленца), как показано. Только правая сторона токовой петли находится в поле, так что слева на нее действует беспрепятственная сила (правило правой руки). Когда металлическая пластина полностью находится внутри поля, вихревой ток отсутствует, если поле однородно, поскольку поток остается постоянным в этой области.Но когда пластина покидает поле справа, поток уменьшается, вызывая вихревой ток по часовой стрелке, который, опять же, испытывает силу слева, еще больше замедляя движение. Аналогичный анализ того, что происходит, когда пластина поворачивается справа налево, показывает, что ее движение также затухает при входе в поле и выходе из него.

Проводящая пластина, проходящая между полюсами магнита : Более подробный взгляд на проводящую пластину, проходящую между полюсами магнита.Когда он входит в поле и выходит из него, изменение потока создает вихревой ток. Магнитная сила на токовой петле препятствует движению. Когда пластина полностью находится внутри однородного поля, нет ни тока, ни магнитного сопротивления.

Когда металлическая пластина с прорезями входит в поле, как показано на, ЭДС индуцируется изменением магнитного потока, но она менее эффективна, поскольку прорези ограничивают размер токовых петель. Более того, в соседних контурах есть токи в противоположных направлениях, и их эффекты отменяются.Когда используется изолирующий материал, вихревые токи чрезвычайно малы, поэтому магнитное затухание на изоляторах незначительно. Если необходимо избегать вихревых токов в проводниках, они могут быть выполнены с прорезями или состоять из тонких слоев проводящего материала, разделенных изоляционными листами.

Вихревые токи, индуцируемые в металлической пластине с прорезями : Вихревые токи, индуцируемые в металлической пластине с прорезями, входящие в магнитное поле, образуют небольшие петли, и силы на них имеют тенденцию нейтрализоваться, тем самым делая магнитное сопротивление почти нулевым.

Изменение магнитного потока создает электрическое поле

Закон индукции Фарадея гласит, что изменение магнитного поля создает электрическое поле: [latex] \ varepsilon = - \ frac {\ partial \ Phi_ \ text {B}} {\ partial \ text {t}} [/ latex].

Цели обучения

Опишите взаимосвязь между изменяющимся магнитным полем и электрическим полем

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Закон индукции Фарадея - это основной закон электромагнетизма, который предсказывает, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрической цепью, создавая электродвижущую силу.
  • Альтернативная дифференциальная форма закона индукции Фарадея выражается в уравнении [latex] \ nabla \ times \ vec {\ text {E}} = - \ frac {\ partial \ vec {\ text {B}}} { \ partial \ text {t}} [/ latex].
  • Закон индукции Фарадея - одно из четырех уравнений Максвелла, управляющих всеми электромагнитными явлениями.
Ключевые термины
  • векторная область : вектор, величина которого соответствует рассматриваемой области и направление которого перпендикулярно плоскости.
  • Уравнения Максвелла : Набор уравнений, описывающих, как электрические и магнитные поля генерируются и изменяются друг другом, а также зарядами и токами.
  • Теорема Стокса : утверждение об интегрировании дифференциальных форм на многообразиях, которое одновременно упрощает и обобщает несколько теорем векторного исчисления.

Мы изучили закон индукции Фарадея в предыдущих атомах. Мы узнали взаимосвязь между наведенной электродвижущей силой (ЭДС) и магнитным потоком.Вкратце, закон гласит, что изменение магнитного поля [латекс] (\ frac {\ text {d} \ Phi_ \ text {B}} {\ text {dt}}) [/ latex] создает электрическое поле [латекс] (\ varepsilon) [/ latex], закон индукции Фарадея выражается как [latex] \ varepsilon = - \ frac {\ partial \ Phi_ \ text {B}} {\ partial \ text {t}} [/ latex], где [латекс] \ varepsilon [/ latex] - это индуцированная ЭДС, а [latex] \ Phi_ \ text {B} [/ latex] - магнитный поток. («N» опущено из нашего предыдущего выражения. Количество витков катушки может быть включено в магнитный поток, поэтому коэффициент не является обязательным.) Закон индукции Фарадея - это основной закон электромагнетизма, который предсказывает, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрической цепью, создавая электродвижущую силу (ЭДС). В этом Атоме мы узнаем об альтернативном математическом выражении закона.

Эксперимент Фарадея : эксперимент Фарадея, показывающий индукцию между витками проволоки: жидкая батарея (справа) обеспечивает ток, который течет через небольшую катушку (A), создавая магнитное поле. Когда катушки неподвижны, ток не индуцируется.Но когда малая катушка перемещается внутрь или из большой катушки (B), магнитный поток через большую катушку изменяется, вызывая ток, который регистрируется гальванометром (G).

Дифференциальная форма закона Фарадея

Магнитный поток [латекс] \ Phi_ \ text {B} = \ int_ \ text {S} \ vec {\ text {B}} \ cdot \ text {d} \ vec {\ text {A}} [/ латекс], где [латекс] \ vec {\ text {A}} [/ latex] - это векторная площадь над замкнутой поверхностью S. Устройство, которое может поддерживать разность потенциалов, несмотря на протекание тока, является источником электродвижущей силы. .(EMF) Математически определение [латекс] \ varepsilon = \ oint_ \ text {C} \ vec {\ text {E}} \ cdot \ text {d} \ vec {\ text {s}} [/ latex], где интеграл вычисляется по замкнутому циклу C.

Закон Фарадея теперь можно переписать [latex] \ oint_ \ text {C} \ vec {\ text {E}} \ cdot \ text {d} \ vec {\ text {s}} = - \ frac {\ partial} {\ partial \ text {t}} (\ int \ vec {\ text {B}} \ cdot \ text {d} \ vec {\ text {A}}) [/ latex]. Используя теорему Стокса в векторном исчислении, левая часть равна [latex] \ oint_ \ text {C} \ vec {\ text {E}} \ cdot \ text {d} \ vec {\ text {s}} = \ int_ \ text {S} (\ nabla \ times \ vec {\ text {E}}) \ cdot \ text {d} \ vec {\ text {A}} [/ latex].Также обратите внимание, что в правой части [latex] \ frac {\ partial} {\ partial \ text {t}} (\ int \ vec {\ text {B}} \ cdot \ text {d} \ vec {\ текст {A}}) = \ int \ frac {\ partial \ vec {\ text {B}}} {\ partial \ text {t}} \ cdot \ text {d} \ vec {\ text {A}} [ /латекс]. Таким образом, мы получаем альтернативную форму закона индукции Фарадея: [latex] \ nabla \ times \ vec {\ text {E}} = - \ frac {\ partial \ vec {\ text {B}}} {\ partial \ text {t}} [/ latex]. Это также называют дифференциальной формой закона Фарадея. Это одно из четырех уравнений Максвелла, управляющих всеми электромагнитными явлениями.

Электрогенераторы

Электрогенераторы преобразуют механическую энергию в электрическую; они индуцируют ЭДС, вращая катушку в магнитном поле.

Цели обучения

Объясните, как в электрогенераторах индуцируется электродвижущая сила.

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Электрический генератор вращает катушку в магнитном поле, индуцируя ЭДС, заданную как функцию времени величиной ε = NABw sinωt.
  • Генераторы поставляют почти всю мощность для электрических сетей, которые обеспечивают большую часть мировой электроэнергии.
  • Двигатель становится генератором, когда его вал вращается.
Ключевые термины
  • электродвижущая сила : (ЭДС) - напряжение, генерируемое батареей или магнитной силой в соответствии с законом Фарадея. Она измеряется в вольтах, а не в ньютонах, и поэтому на самом деле не является силой.
  • турбина : Любая из различных вращающихся машин, которые используют кинетическую энергию непрерывного потока жидкости (жидкости или газа) для вращения вала.

Электрические генераторы - это устройства, преобразующие механическую энергию в электрическую.Они индуцируют электродвижущую силу (ЭДС), вращая катушку в магнитном поле. Это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую. Генератор заставляет электрический заряд (обычно переносимый электронами) проходить через внешнюю электрическую цепь. Возможные источники механической энергии включают в себя поршневой или турбинный паровой двигатель, воду, падающую через турбину или водяное колесо, двигатель внутреннего сгорания, ветряную турбину, ручной кривошип, сжатый воздух или любой другой источник механической энергии.Генераторы поставляют почти всю мощность для электрических сетей, которые обеспечивают большую часть мировой электроэнергии.

Паротурбинный генератор : современный паротурбинный генератор.

Базовая настройка

Рассмотрим установку, показанную на. Заряды в проводах петли испытывают магнитную силу, потому что они движутся в магнитном поле. Заряды в вертикальных проводах испытывают силы, параллельные проводу, вызывая токи. Однако те, кто находится в верхнем и нижнем сегментах, ощущают силу, перпендикулярную проводу; эта сила не вызывает тока.Таким образом, мы можем найти наведенную ЭДС, рассматривая только боковые провода. ЭДС движения задается равной ЭДС = Bℓv, где скорость v перпендикулярна магнитному полю B (см. Наш Атом в разделе «ЭДС движения»). Здесь скорость находится под углом θ к B, так что ее составляющая, перпендикулярная B, равна vsinθ.

Схема электрического генератора : Генератор с одной прямоугольной катушкой, вращающейся с постоянной угловой скоростью в однородном магнитном поле, создает ЭДС, синусоидально изменяющуюся во времени.Обратите внимание, что генератор похож на двигатель, за исключением того, что вал вращается для выработки тока, а не наоборот.

Таким образом, в этом случае ЭДС, индуцированная с каждой стороны, равна ЭДС = Bℓvsinθ, и они направлены в одном направлении. Общая ЭДС [латекс] \ varepsilon [/ latex] вокруг петли тогда:

[латекс] \ varepsilon = 2 \ text {Blv} \ sin {\ theta} [/ latex].

Это выражение допустимо, но оно не дает ЭДС как функцию времени. Чтобы найти зависимость ЭДС от времени, предположим, что катушка вращается с постоянной угловой скоростью ω.Угол θ связан с угловой скоростью соотношением θ = ωt, так что:

[латекс] \ varepsilon = 2 \ text {Blv} \ sin {\ omega \ text {t}} [/ latex].

Итак, линейная скорость v связана с угловой скоростью соотношением v = rω. Здесь r = w / 2, так что v = (w / 2) ω, и:

[латекс] \ varepsilon = 2 \ text {Bl} \ frac {\ text {w}} {2} \ omega \ sin {\ omega \ text {t}} = (\ text {lw}) \ text {B } \ omega \ sin {\ omega \ text {t}} [/ латекс].

Заметив, что площадь петли A = ℓw, и учитывая N петель, мы находим, что:

[латекс] \ varepsilon = \ text {NABw} ~ \ sin {\ omega \ text {t}} [/ latex] - ЭДС, индуцированная в катушке генератора N витков и площади A, вращающейся с постоянной угловой скоростью в однородное магнитное поле B.

Генераторы, показанные в этом Atom, очень похожи на двигатели, показанные ранее. Это не случайно. Фактически, двигатель становится генератором, когда его вал вращается.

Электродвигатели

Электродвигатель - это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую.

Цели обучения

Объясните, как сила создается в электродвигателях

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Большинство электродвигателей используют взаимодействие магнитных полей и токопроводящих проводников для создания силы.
  • Ток в проводнике состоит из движущихся зарядов. Следовательно, катушка с током в магнитном поле также будет ощущать силу Лоренца.
  • В двигателе катушка с током в магнитном поле испытывает силу с обеих сторон катушки, которая создает крутящую силу (называемую крутящим моментом), заставляющую ее вращаться.
Ключевые термины
  • Сила Лоренца : Сила, действующая на заряженную частицу в электромагнитном поле.
  • крутящий момент : вращательное или скручивающее действие силы; (Единица СИ ньютон-метр или Нм; британская единица измерения фут-фунт или фут-фунт)

Основные принципы работы двигателя такие же, как и у генератора, за исключением того, что двигатель преобразует электрическую энергию в механическую энергию (движение).(Сначала прочтите наш атом об электрических генераторах.) Большинство электродвигателей используют взаимодействие магнитных полей и проводников с током для создания силы. Электродвигатели находят применение в самых разных областях, таких как промышленные вентиляторы, нагнетатели и насосы, станки, бытовые приборы, электроинструменты и дисководы.

Лоренц Форс

Если вы поместите движущуюся заряженную частицу в магнитное поле, на нее будет действовать сила, называемая силой Лоренца:

[латекс] \ text {F} = \ text {q} \ times \ text {v} \ times \ text {B} [/ latex]

Правило правой руки : Правило правой руки, показывающее направление силы Лоренца

, где v - скорость движущегося заряда, q - заряд, а B - магнитное поле.Ток в проводнике состоит из движущихся зарядов. Следовательно, катушка с током в магнитном поле также будет ощущать силу Лоренца. Для неподвижного прямолинейного токоведущего провода сила Лоренца составляет:

[латекс] \ text {F} = \ text {I} \ times \ text {L} \ times \ text {B} [/ latex]

где F - сила (в ньютонах, Н), I - ток в проводе (в амперах, А), L - длина провода, находящегося в магнитном поле (в м). , B - напряженность магнитного поля (в теслах, Тл).Направление силы Лоренца перпендикулярно как направлению потока тока, так и магнитного поля, и его можно найти с помощью правила правой руки, показанного на рисунке. Используя правую руку, направьте большой палец в направлении тока, и укажите указательным пальцем в направлении магнитного поля. Ваш третий палец теперь будет указывать в направлении силы.

Момент : Сила на противоположных сторонах катушки будет в противоположных направлениях, потому что заряды движутся в противоположных направлениях.Это означает, что катушка будет вращаться.

Механика двигателя

И двигатели, и генераторы можно объяснить с помощью катушки, вращающейся в магнитном поле. В генераторе катушка подключена к внешней цепи, которая затем включается. Это приводит к изменению потока, который индуцирует электромагнитное поле. В двигателе катушка с током в магнитном поле испытывает силу с обеих сторон катушки, которая создает крутящую силу (называемую крутящим моментом), заставляющую ее вращаться.Любая катушка, по которой проходит ток, может ощущать силу в магнитном поле. Эта сила является силой Лоренца, действующей на движущиеся заряды в проводнике. Сила на противоположных сторонах катушки будет в противоположных направлениях, потому что заряды движутся в противоположных направлениях. Это означает, что катушка будет вращаться.

Индуктивность

Индуктивность - это свойство устройства, которое показывает, насколько эффективно оно индуцирует ЭДС в другом устройстве или на самом себе.

Цели обучения

Описание свойств катушки индуктивности с указанием взаимной индуктивности и самоиндукции

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Взаимная индуктивность - это эффект воздействия двух устройств друг на друга ЭДС.Изменение тока ΔI 1 / Δt в одном вызывает ЭДС ЭДС2 в секунду: ЭДС 2 = -M ΔI 1 / Δt, где M определяется как взаимная индуктивность между двумя устройствами.
  • Самоиндукция - это эффект того, что устройство вызывает саму по себе ЭДС.
  • Устройство, которое демонстрирует значительную самоиндукцию, называется индуктором, и ЭДС, индуцированная в нем изменением тока через него, равна ЭДС = −L ΔI / Δt.
Ключевые термины
  • Закон индукции Фарадея : основной закон электромагнетизма, который предсказывает, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрической цепью, создавая электродвижущую силу (ЭДС).
  • трансформатор : статическое устройство, которое передает электрическую энергию от одной цепи к другой с помощью магнитной связи. Их основное назначение - передача энергии между различными уровнями напряжения, что позволяет выбирать наиболее подходящее напряжение для выработки, передачи и распределения электроэнергии по отдельности.

Индукция - это процесс, при котором ЭДС индуцируется изменением магнитного потока. Трансформаторы, например, спроектированы так, чтобы быть особенно эффективными для создания желаемого напряжения и тока с очень небольшими потерями энергии в другие формы (см. Наш Atom в разделе «Трансформаторы.«) Есть ли полезная физическая величина, связанная с тем, насколько« эффективно »данное устройство? Ответ положительный, и эта физическая величина называется индуктивностью.

Взаимная индуктивность

Взаимная индуктивность - это влияние закона индукции Фарадея для одного устройства на другое, например, первичная катушка, при передаче энергии вторичной обмотке в трансформаторе. Посмотрите, где простые катушки наводят друг на друга ЭДС.

Взаимная индуктивность катушек : Эти катушки могут вызывать ЭДС друг в друге, как неэффективный трансформатор.Их взаимная индуктивность M указывает на эффективность связи между ними. Здесь видно, что изменение тока в катушке 1 вызывает ЭДС в катушке 2. (Обратите внимание, что «E2 индуцированная» представляет наведенную ЭДС в катушке 2.)

Во многих случаях, когда геометрия устройств фиксирована, магнитный поток изменяется за счет изменения тока. Поэтому мы концентрируемся на скорости изменения тока, ΔI / Δt, как на причине индукции. Изменение тока I 1 в одном устройстве, катушка 1, индуцирует ЭДС 2 в другом.Мы выражаем это в форме уравнения как

[латекс] \ text {EMF} _2 = - \ text {M} \ frac {\ Delta \ text {I} _1} {\ Delta \ text {t}} [/ latex],

, где M определяется как взаимная индуктивность между двумя устройствами. Знак минус является выражением закона Ленца. Чем больше взаимная индуктивность M, тем эффективнее связь.

Природа здесь симметрична. Если мы изменим ток I2 в катушке 2, мы индуцируем ЭДС 1 в катушке 1, которая равна

[латекс] \ text {EMF} _1 = - \ text {M} \ frac {\ Delta \ text {I} _2} {\ Delta \ text {t}} [/ latex],

, где M то же, что и для обратного процесса.Трансформаторы работают в обратном направлении с такой же эффективностью или взаимной индуктивностью M.

Самоиндуктивность

Самоиндукция, действие закона индукции Фарадея устройства на самого себя, также существует. Когда, например, увеличивается ток через катушку, магнитное поле и магнитный поток также увеличиваются, вызывая противоэдс, как того требует закон Ленца. И наоборот, если ток уменьшается, индуцируется ЭДС, которая препятствует уменьшению. Большинство устройств имеют фиксированную геометрию, поэтому изменение магнитного потока полностью связано с изменением тока ΔI через устройство.Индуцированная ЭДС связана с физической геометрией устройства и скоростью изменения тока. Выдается

[латекс] \ text {EMF} = - \ text {L} \ frac {\ Delta \ text {I}} {\ Delta \ text {t}} [/ latex],

где L - самоиндукция устройства. Устройство, которое демонстрирует значительную самоиндукцию, называется индуктором. Опять же, знак минус является выражением закона Ленца, указывающего, что ЭДС препятствует изменению тока.

Количественная интерпретация ЭДС движения

A ЭДС движения - это электродвижущая сила (ЭДС), индуцированная движением относительно магнитного поля B.

Цели обучения

Сформулируйте две точки зрения, которые применяются для расчета электродвижущей силы

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Движущая и индуцированная ЭДС - одно и то же явление, только наблюдаемое в разных системах отсчета. Эквивалентность этих двух явлений подтолкнула Эйнштейна к работе над специальной теорией относительности.
  • ЭДС, возникающая из-за относительного движения петли и магнита, задается как [latex] \ varepsilon _ {\ text {motion}} = \ text {vB} \ times \ text {L} [/ latex] (Eq.1), где L - длина объекта, движущегося со скоростью v относительно магнита.
  • ЭДС можно рассчитать с двух разных точек зрения: 1) с точки зрения магнитной силы, действующей на движущиеся электроны в магнитном поле, и 2) с точки зрения скорости изменения магнитного потока. Оба дают одинаковый результат.
Ключевые термины
  • специальная теория относительности : теория, которая (игнорируя эффекты гравитации) согласовывает принцип относительности с наблюдением, что скорость света постоянна во всех системах отсчета.
  • магнитное поле : Состояние в пространстве вокруг магнита или электрического тока, в котором существует обнаруживаемая магнитная сила и где присутствуют два магнитных полюса.
  • рамка отсчета : система координат или набор осей, в пределах которых можно измерить положение, ориентацию и другие свойства объектов в ней.

Электродвижущая сила (ЭДС), индуцированная движением относительно магнитного поля B, называется ЭДС движения. Вы могли заметить, что ЭДС движения очень похожа на ЭДС, вызванную изменением магнитного поля.В этом атоме мы видим, что это действительно одно и то же явление, показанное в разных системах отсчета.

ЭДС движения

В случае, когда проводящая петля перемещается в магнит, показанный на (а), магнитная сила, действующая на движущийся заряд в петле, определяется как [латекс] evB [/ латекс] (сила Лоренца, e: заряд электрона).

Петля проводника, движущаяся в магнит : (a) ЭДС движения. Токовая петля переходит в неподвижный магнит. Направление магнитного поля внутрь экрана.(б) Индуцированная ЭДС. Токовая петля неподвижна, а магнит движется.

Из-за силы электроны будут накапливаться с одной стороны (нижний конец на рисунке), пока на стержне не установится достаточное электрическое поле, противодействующее движению электронов, которое составляет [латекс] \ text {eE} [/ латекс]. Приравнивая две силы, получаем [латекс] \ text {E} = \ text {vB} [/ latex].

Следовательно, двигательная ЭДС на длине L стороны петли определяется как [latex] \ varepsilon _ {\ text {motion}} = \ text {vB} \ times \ text {L} [/ latex] (Eq .1), где L - длина объекта, движущегося со скоростью v относительно магнита.

Индуцированная ЭДС

Поскольку скорость изменения магнитного потока, проходящего через петлю, равна [latex] \ text {B} \ frac {\ text {dA}} {\ text {dt}} [/ latex] (A: площадь петли что магнитное поле проходит), индуцированная ЭДС [латекс] \ varepsilon _ {\ text {индуцированный}} = \ text {BLv} [/ latex] (уравнение 2).

Эквивалентность движущей и индуцированной ЭДС

Из уравнения. 1 и уравнение. 2 мы можем подтвердить, что двигательная и индуцированная ЭДС дают одинаковый результат.Фактически, эквивалентность двух явлений побудила Альберта Эйнштейна исследовать специальную теорию относительности. В своей основополагающей статье по специальной теории относительности, опубликованной в 1905 году, Эйнштейн начинает с упоминания эквивалентности двух явлений:

«…… например, взаимное электродинамическое действие магнита и проводника. Наблюдаемое явление здесь зависит только от относительного движения проводника и магнита, в то время как обычный взгляд проводит резкое различие между двумя случаями, в которых одно или другое из этих тел находится в движении.Поскольку, если магнит находится в движении, а проводник находится в покое, в окрестности магнита возникает электрическое поле с определенной энергией , производящее ток в местах, где части проводника находятся расположенный. Но если магнит неподвижен, а проводник движется, электрическое поле поблизости от магнита не возникает. В проводнике, однако, мы находим электродвижущую силу, которой сама по себе не соответствует энергия, но которая порождает - при условии равенства относительного движения в двух рассмотренных случаях - электрические токи того же пути и силы, что и создаваемые электрическими силами в первом случае.“

Механические работы и электроэнергия

Механическая работа, совершаемая внешней силой для создания ЭДС движения, преобразуется в тепловую энергию; энергия сохраняется в процессе.

Цели обучения

Применить закон сохранения энергии для описания производственной двигательной электродвижущей силы с механической работой

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • ЭДС движения, создаваемая движущимся проводником в однородном поле, задается следующим образом [latex] \ varepsilon = \ text {Blv} [/ latex].
  • Чтобы стержень двигался с постоянной скоростью v, мы должны постоянно прикладывать внешнюю силу F ext к стержню во время его движения.
  • Закон Ленца гарантирует, что движение стержня противоположно, и, следовательно, закон сохранения энергии не нарушается.
Ключевые термины
  • ЭДС движения : ЭДС (электродвижущая сила), индуцированная движением относительно магнитного поля.
  • Закон индукции Фарадея : основной закон электромагнетизма, который предсказывает, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрической цепью, создавая электродвижущую силу (ЭДС).

Мы узнали о двигательной ЭДС ранее (см. Наш Атом в «Двигательной ЭДС»). Для простой схемы, показанной ниже, движущаяся ЭДС [латекс] (\ varepsilon) [/ латекс], создаваемая движущимся проводником (в однородном поле), задается следующим образом:

[латекс] \ varepsilon = \ text {Blv} [/ латекс]

, где B - магнитное поле, l - длина проводящего стержня, а v - (постоянная) скорость его движения. ( B , l и v все перпендикулярны друг другу, как показано на изображении ниже.)

ЭДС движения : (a) ЭДС движения = Bℓv индуцируется между рельсами, когда этот стержень перемещается вправо в однородном магнитном поле. Магнитное поле B направлено внутрь страницы, перпендикулярно движущемуся стержню и рельсам и, следовательно, к области, окружающей их. (б) Закон Ленца дает направление индуцированного поля и тока, а также полярность наведенной ЭДС. Поскольку поток увеличивается, индуцированное поле направлено в противоположном направлении или за пределы страницы. Правило правой руки дает указанное направление тока, и полярность стержня будет управлять таким током.

Сохранение энергии

В этом атоме мы рассмотрим систему с точки зрения энергии . Поскольку стержень движется и пропускает ток и , он ощущает силу Лоренца

.

[латекс] \ text {F} _ \ text {L} = \ text {iBL} [/ latex].

Чтобы стержень двигался с постоянной скоростью v , мы должны постоянно прикладывать внешнюю силу F ext (равную величине F L и противоположную по направлению) к стержню вдоль его движения. .Так как стержень движется при v , мощность P , передаваемая внешней силой, будет:

[латекс] \ text {P} = \ text {F} _ {\ text {ext}} \ text {v} = (\ text {iBL}) \ times \ text {v} = \ text {i} \ варепсилон [/ латекс].

На последнем этапе мы использовали первое уравнение, о котором мы говорили. Обратите внимание, что это в точности мощность, рассеиваемая в контуре (= ток [латекс] \ умноженное на [/ латекс] напряжение). Таким образом, мы заключаем, что механическая работа, совершаемая внешней силой, чтобы стержень двигался с постоянной скоростью, преобразуется в тепловую энергию в контуре.В более общем смысле, механическая работа, совершаемая внешней силой для создания ЭДС движения, преобразуется в тепловую энергию. Энергия сохраняется в процессе.

Закон Ленца

Из «Закона индукции Фарадея и закона Ленца» мы узнали, что закон Ленца является проявлением сохранения энергии. Как мы видим в примере с этим атомом, закон Ленца гарантирует, что движение стержня противодействует из-за склонности природы противодействовать изменению магнитного поля. Если бы индуцированная ЭДС была в том же направлении, что и изменение потока, возникла бы положительная обратная связь, заставляющая стержень улетать от малейшего возмущения.

Энергия в магнитном поле

Магнитное поле накапливает энергию. Плотность энергии задается как [латекс] \ text {u} = \ frac {\ mathbf {\ text {B}} \ cdot \ mathbf {\ text {B}}} {2 \ mu} [/ latex].

Цели обучения

Выразите плотность энергии магнитного поля в форме уравнения

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Энергия необходима для создания магнитного поля как для работы против электрического поля, создаваемого изменяющимся магнитным полем, так и для изменения намагниченности любого материала в магнитном поле.2 [/ латекс].
Ключевые термины
  • проницаемость : количественная мера степени намагничивания материала в присутствии приложенного магнитного поля (измеряется в ньютонах на ампер в квадрате в единицах СИ).
  • индуктор : Пассивное устройство, которое вводит индуктивность в электрическую цепь.
  • ферромагнетик : Материалы, обладающие постоянными магнитными свойствами.

Энергия необходима для создания магнитного поля как для работы против электрического поля, создаваемого изменяющимся магнитным полем, так и для изменения намагниченности любого материала в магнитном поле.Для недисперсионных материалов эта же энергия высвобождается при разрушении магнитного поля. Следовательно, эту энергию можно смоделировать как «хранящуюся» в магнитном поле.

Магнитное поле, создаваемое соленоидом : Магнитное поле, создаваемое соленоидом (вид в разрезе), описываемое с помощью силовых линий. Энергия «хранится» в магнитном поле.

Энергия, запасенная в магнитном поле

Для линейных недисперсионных материалов (таких, что B = мкм H, где мкм, называемая проницаемостью, не зависит от частоты), плотность энергии составляет:

[латекс] \ text {u} = \ frac {\ mathbf {\ text {B}} \ cdot \ mathbf {\ text {B}}} {2 \ mu} = \ frac {\ mu \ mathbf {\ text {H}} \ cdot \ mathbf {\ text {H}}} {2} [/ latex].

Плотность энергии - это количество энергии, хранящейся в данной системе или области пространства на единицу объема. Если поблизости нет магнитных материалов, μ можно заменить на μ 0 . Однако приведенное выше уравнение нельзя использовать для нелинейных материалов; необходимо использовать более общее выражение (приведенное ниже).

В общем, дополнительная работа на единицу объема δW , необходимая для того, чтобы вызвать небольшое изменение магнитного поля δ B, составляет:

[латекс] \ delta \ text {W} = \ mathbf {\ text {H}} \ cdot \ delta \ mathbf {\ text {B}} [/ latex].

Когда связь между H и B известна, это уравнение используется для определения работы, необходимой для достижения заданного магнитного состояния. Для гистерезисных материалов, таких как ферромагнетики и сверхпроводники, необходимая работа также зависит от того, как создается магнитное поле. Однако для линейных недисперсионных материалов общее уравнение приводит непосредственно к более простому уравнению плотности энергии, приведенному выше.

Энергия, запасенная в поле соленоида

Энергия, запасаемая индуктором, равна количеству работы, необходимой для установления тока через индуктор и, следовательно, магнитного поля.2 [/ латекс].

Трансформаторы

Трансформаторы преобразуют напряжения из одного значения в другое; его функция определяется уравнением трансформатора.

Цели обучения

Примените уравнение трансформатора для сравнения вторичного и первичного напряжений

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Трансформаторы часто используются в нескольких точках систем распределения электроэнергии, а также во многих бытовых адаптерах питания.
  • Уравнение трансформатора
  • утверждает, что отношение вторичного напряжения к первичному в трансформаторе равно отношению количества витков в их катушках: [латекс] \ frac {\ text {V} _ \ text {s}} {\ text { V} _ \ text {p}} = \ frac {\ text {N} _ \ text {s}} {\ text {N} _ \ text {p}} [/ latex].
  • Если предположить, что сопротивление незначительно, выходная электрическая мощность трансформатора равна его входной. Это приводит нас к другому полезному вопросу: [latex] \ frac {\ text {I} _ \ text {s}} {\ text {I} _ \ text {p}} = \ frac {\ text {N} _ \ текст {p}} {\ text {N} _ \ text {s}} [/ latex]. Если напряжение увеличивается, ток уменьшается. И наоборот, если напряжение уменьшается, ток увеличивается.
Ключевые термины
  • магнитный поток : мера силы магнитного поля в данной области.
  • Закон индукции Фарадея : основной закон электромагнетизма, который предсказывает, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрической цепью, создавая электродвижущую силу (ЭДС).

Трансформаторы изменяют напряжение с одного значения на другое. Например, такие устройства, как сотовые телефоны, ноутбуки, видеоигры, электроинструменты и небольшая бытовая техника, имеют трансформатор (встроенный в их съемный блок), который преобразует 120 В в напряжение, соответствующее устройству.Трансформаторы также используются в нескольких точках в системах распределения электроэнергии, как показано на рисунке. Мощность передается на большие расстояния при высоком напряжении, поскольку для данного количества мощности требуется меньший ток (это означает меньшие потери в линии). Поскольку высокое напряжение представляет большую опасность, трансформаторы используются для получения более низкого напряжения в месте нахождения пользователя.

Настройка трансформатора : Трансформаторы изменяют напряжение в нескольких точках в системе распределения электроэнергии. Электроэнергия обычно вырабатывается при напряжении более 10 кВ и передается на большие расстояния при напряжениях более 200 кВ, иногда даже 700 кВ, для ограничения потерь энергии.Распределение электроэнергии по районам или промышленным предприятиям осуществляется через подстанцию ​​и передается на короткие расстояния с напряжением от 5 до 13 кВ. Оно снижено до 120, 240 или 480 В для безопасности на месте отдельного пользователя.

Тип трансформатора, рассматриваемого здесь, основан на законе индукции Фарадея и очень похож по конструкции на устройство, которое Фарадей использовал для демонстрации того, что магнитные поля могут создавать токи (показано на рисунке). Две катушки называются первичной и вторичной катушками.При нормальном использовании входное напряжение подается на первичную обмотку, а вторичная обмотка создает преобразованное выходное напряжение. Мало того, что железный сердечник улавливает магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, его намагниченность увеличивает напряженность поля. Поскольку входное напряжение переменного тока, изменяющийся во времени магнитный поток направляется во вторичную обмотку, вызывая ее выходное переменное напряжение.

Простой трансформатор : Типичная конструкция простого трансформатора состоит из двух катушек, намотанных на ферромагнитный сердечник, ламинированный для минимизации вихревых токов.Магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой, в основном ограничивается и увеличивается сердечником, который передает его вторичной обмотке. Любое изменение тока в первичной обмотке вызывает ток во вторичной обмотке. На рисунке показан простой трансформатор с двумя катушками, намотанными с обеих сторон многослойного ферромагнитного сердечника. Набор катушек на левой стороне сердечника обозначен как первичный, и его номер указан как N p. Напряжение на первичной обмотке равно V p. Набор катушек на правой стороне сердечника обозначен как вторичный, и его номер представлен как N s.Напряжение на вторичной обмотке равно В с. Символ трансформатора также показан под диаграммой. Он состоит из двух катушек индуктивности, разделенных двумя равными параллельными линиями, представляющими сердечник.

Уравнение трансформатора

Для простого трансформатора, показанного на, выходное напряжение V s почти полностью зависит от входного напряжения V p и соотношения количества витков в первичной и вторичной катушках. Закон индукции Фарадея для вторичной обмотки дает ее индуцированное выходное напряжение V с как:

[латекс] \ text {V} _ \ text {s} = - \ text {N} _ \ text {s} \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta \ text {t}} [/ latex],

, где N s - количество витков вторичной катушки, а Δ / Δt - скорость изменения магнитного потока.Обратите внимание, что выходное напряжение равно индуцированной ЭДС (В с = ЭДС с ), при условии, что сопротивление катушки невелико. Площадь поперечного сечения катушек одинакова с обеих сторон, как и напряженность магнитного поля, поэтому / Δt одинаково с обеих сторон. Входное первичное напряжение V p также связано с изменением магнитного потока:

[латекс] \ text {V} _ \ text {p} = - \ text {N} _ \ text {p} \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta \ text {t}} [/ latex].

Соотношение этих двух последних уравнений дает полезное соотношение:

[латекс] \ frac {\ text {V} _ \ text {s}} {\ text {V} _ \ text {p}} = \ frac {\ text {N} _ \ text {s}} {\ текст {N} _ \ text {p}} [/ latex].

Это известно как уравнение трансформатора , которое просто устанавливает, что отношение вторичного напряжения к первичному в трансформаторе равно отношению количества контуров в их катушках. Выходное напряжение трансформатора может быть меньше, больше или равно входному напряжению, в зависимости от соотношения количества витков в их катушках.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *