כדי להבין מהו מאפיין של שדה מגנטי, יש להגדיר תופעות רבות. יחד עם זאת, אתה צריך לזכור מראש איך ולמה זה מופיע. גלה מהו ההספק המאפיין שדה מגנטי. חשוב גם ששדה כזה יכול להתרחש לא רק במגנטים. בהקשר זה, לא מזיק להזכיר את מאפייני השדה המגנטי של כדור הארץ.
הופעת שדה
ראשית, עלינו לתאר את מראה השדה. לאחר מכן, אתה יכול לתאר את השדה המגנטי ואת המאפיינים שלו. זה מופיע במהלך תנועה של חלקיקים טעונים. יכול להשפיע על מטענים חשמליים נעים, במיוחד על מוליכים מוליכים. האינטראקציה בין שדה מגנטי למטענים נעים, או מוליכים שדרכם זורם זרם, מתרחשת עקב כוחות הנקראים אלקטרומגנטיים.
עוצמה או הספק האופייניים לשדה המגנטי בנקודה מרחבית מסוימת נקבעת באמצעות אינדוקציה מגנטית. האחרון מסומן בסמל B.
ייצוג גרפי של השדה
ניתן לייצג את השדה המגנטי ומאפייניו בצורה גרפית באמצעות קווי אינדוקציה. הגדרה זו נקראת קווים, שהמשיקים אליהם בכל נקודה יחפפו לכיוון הווקטור y של האינדוקציה המגנטית.
קווים אלו כלולים במאפייני השדה המגנטי ומשמשים לקביעת כיוונו ועוצמתו. ככל שעוצמת השדה המגנטי גבוהה יותר, כך יצוירו יותר קווי נתונים.
מהם קווים מגנטיים
לקווים מגנטיים במוליכים ישרים עם זרם יש צורה של מעגל קונצנטרי, שמרכזו ממוקם על הציר של מוליך זה. כיוון הקווים המגנטיים ליד מוליכים עם זרם נקבע על ידי כלל הגימלט, שנשמע כך: אם הגימלט ממוקם כך שהוא יוברג לתוך המוליך בכיוון הזרם, אזי כיוון הסיבוב של הידית מתאימה לכיוון הקווים המגנטיים.
עבור סליל עם זרם, כיוון השדה המגנטי ייקבע גם על ידי כלל הגימלט. כמו כן נדרש לסובב את הידית לכיוון הזרם בסיבובי הסולנואיד. כיוון קווי האינדוקציה המגנטית יתאים לכיוון תנועת התרגום של הגימלט.
ההגדרה של אחידות ואי-הומוגניות היא המאפיין העיקרי של השדה המגנטי.
נוצר על ידי זרם אחד, בתנאים שווים, השדהיהיה שונה בעוצמתו במדיות שונות בשל תכונות מגנטיות שונות בחומרים אלו. התכונות המגנטיות של המדיום מאופיינות בחדירות מגנטית מוחלטת. נמדד בהנרים למטר (גר'/מ').
המאפיין של השדה המגנטי כולל את החדירות המגנטית המוחלטת של הוואקום, הנקרא הקבוע המגנטי. הערך שקובע כמה פעמים תהיה שונה החדירות המגנטית המוחלטת של המדיום מהקבוע נקרא החדירות המגנטית היחסית.
חדירות מגנטית של חומרים
זו כמות חסרת מימד. חומרים בעלי ערך חדירות של פחות מאחד נקראים דיאמגנטיים. בחומרים אלו השדה יהיה חלש יותר מאשר בוואקום. תכונות אלו קיימות במימן, מים, קוורץ, כסף וכו'.
מדיה עם חדירות מגנטית גדולה מאחת נקראות פרמגנטיות. בחומרים אלו השדה יהיה חזק יותר מאשר בוואקום. מדיה וחומרים אלה כוללים אוויר, אלומיניום, חמצן, פלטינה.
במקרה של חומרים פרמגנטיים ודיאמגנטיים, ערך החדירות המגנטית לא יהיה תלוי במתח של השדה החיצוני, הממגנט. המשמעות היא שהערך קבוע עבור חומר מסוים.
פרומגנטים שייכים לקבוצה מיוחדת. עבור חומרים אלו, החדירות המגנטית תגיע לכמה אלפים או יותר. חומרים אלו, בעלי התכונה להיות ממוגנטים ולהגביר את השדה המגנטי, נמצאים בשימוש נרחב בהנדסת חשמל.
חוזק שדה
כדי לקבוע את המאפיינים של השדה המגנטי, יחד עם וקטור האינדוקציה המגנטי, ניתן להשתמש בערך הנקרא עוצמת השדה המגנטי. מונח זה הוא כמות וקטורית הקובעת את עוצמת השדה המגנטי החיצוני. כיוון השדה המגנטי בתווך בעל תכונות זהות לכל הכיוונים, וקטור העוצמה יעלה בקנה אחד עם וקטור האינדוקציה המגנטי בנקודת השדה.
התכונות המגנטיות החזקות של פרומגנטים מוסברות על ידי נוכחותם של חלקים קטנים ממוגנטים באקראי בהם, שיכולים להיות מיוצגים כמגנטים קטנים.
ללא שדה מגנטי, ייתכן שלחומר פרומגנטי אין תכונות מגנטיות בולטות, מכיוון ששדות התחום מקבלים כיוונים שונים, והשדה המגנטי הכולל שלהם הוא אפס.
לפי המאפיינים העיקריים של השדה המגנטי, אם פרומגנט ממוקם בשדה מגנטי חיצוני, למשל, בסליל עם זרם, אז בהשפעת השדה החיצוני, התחומים יסתובבו ב- כיוון השדה החיצוני. יתר על כן, השדה המגנטי בסליל יגדל, והאינדוקציה המגנטית תגדל. אם השדה החיצוני חלש מספיק, אז רק חלק מכל התחומים שהשדות המגנטיים שלהם מתקרבים לכיוון השדה החיצוני יתהפך. ככל שעוצמת השדה החיצוני תגדל, מספר התחומים המסובבים יגדל, ובערך מסוים של מתח השדה החיצוני, כמעט כל החלקים יסתובבו כך שהשדות המגנטיים ממוקמים בכיוון השדה החיצוני.מצב זה נקרא רוויה מגנטית.
הקשר בין אינדוקציה מגנטית לעוצמה
ניתן לתאר את הקשר בין ההשראה המגנטית של חומר פרומגנטי לחוזק של שדה חיצוני באמצעות גרף הנקרא עקומת המגנטיזציה. בעיקול גרף העקומה יורד קצב העלייה באינדוקציה המגנטית. לאחר עיקול, שבו המתח מגיע לרמה מסוימת, מתרחשת רוויה, והעקומה עולה מעט, ורוכשת בהדרגה צורה של קו ישר. בסעיף זה האינדוקציה עדיין גדלה, אך די לאט ורק עקב עלייה בחוזק השדה החיצוני.
התלות הגרפית של נתוני המחוון אינה ישירה, כלומר היחס שלהם אינו קבוע, והחדירות המגנטית של החומר אינה אינדיקטור קבוע, אלא תלויה בשדה החיצוני.
שינויים בתכונות המגנטיות של חומרים
כאשר מגדילים את הזרם לרוויה מלאה בסליל עם ליבה פרומגנטית ולאחר מכן מקטינים אותו, עקומת המגנטיזציה לא תחפוף לעקומת הדה-מגנטיזציה. בעוצמה אפסית, ההשראה המגנטית לא תהיה בעלת אותו ערך, אלא תרכוש אינדיקטור כלשהו שנקרא האינדוקציה המגנטית השיורית. המצב עם פיגור של אינדוקציה מגנטית מהכוח הממגנט נקרא היסטרזה.
כדי לבטל לחלוטין את הליבה הפרומגנטית בסליל, נדרש לתת זרם הפוך, שייצור את המתח הדרוש. עבור פרומגנטיות שונותחומרים, יש צורך בקטע באורכים שונים. ככל שהוא גדול יותר, יש צורך באנרגיה רבה יותר עבור דה-מגנטיזציה. הערך שבו החומר מנותק לחלוטין נקרא כוח הכפייה.
עם עלייה נוספת בזרם בסליל, האינדוקציה תגדל שוב לאינדקס הרוויה, אך עם כיוון שונה של הקווים המגנטיים. בעת דה-מגנטיזציה בכיוון ההפוך, תתקבל אינדוקציה שיורית. תופעת מגנטיות שיורית משמשת ליצירת מגנטים קבועים מחומרים בעלי מגנטיות שיורית גבוהה. חומרים בעלי יכולת למגנט מחדש משמשים ליצירת ליבות עבור מכונות והתקנים חשמליים.
כלל יד שמאל
לכוח המשפיע על מוליך עם זרם יש כיוון שנקבע לפי הכלל של יד שמאל: כאשר כף היד הבתולה ממוקמת בצורה כזו שהקווים המגנטיים נכנסים אליה, וארבע אצבעות מושטות. בכיוון הזרם במוליך, האגודל הכפוף מציין את כיוון הכוח. כוח זה מאונך לווקטור האינדוקציה והזרם.
מוליך נושא זרם הנע בשדה מגנטי נחשב לאב טיפוס של מנוע חשמלי שמשנה אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית.
כלל יד ימין
במהלך תנועת המוליך בשדה מגנטי, מושרה בתוכו כוח אלקטרו-מוטיבי, שערך פרופורציונלי להשראה המגנטית, אורך המוליך המעורב ומהירות תנועתו. תלות זו נקראת אינדוקציה אלקטרומגנטית. בְּבקביעת כיוון ה-EMF המושרה במוליך, נעשה שימוש בכלל יד ימין: כאשר יד ימין ממוקמת באותו אופן כמו בדוגמה משמאל, הקווים המגנטיים נכנסים לכף היד, והאגודל מציין את הכיוון של תנועת המוליך, האצבעות המושטות מצביעות על כיוון ה-EMF המושרה. מוליך שנע בשטף מגנטי בהשפעת כוח מכני חיצוני הוא הדוגמה הפשוטה ביותר לגנרטור חשמלי שבו אנרגיה מכנית מומרת לאנרגיה חשמלית.
ניתן לנסח את חוק האינדוקציה האלקטרומגנטית אחרת: במעגל סגור, נגרמת EMF, כאשר כל שינוי בשטף המגנטי מכוסה במעגל זה, ה-EFE במעגל שווה מספרית לקצב השינוי של השטף המגנטי המכסה את המעגל הזה.
טופס זה מספק מחוון EMF ממוצע ומציין את התלות של EMF לא בשטף המגנטי, אלא בקצב השינוי שלו.
חוק לנץ
עליך לזכור גם את חוק לנץ: הזרם המושרה משינוי בשדה המגנטי העובר במעגל, השדה המגנטי שלו מונע את השינוי הזה. אם הסיבובים של הסליל מנוקבים על ידי שטפים מגנטיים בגדלים שונים, אז ה-EMF המושרה על כל הסליל שווה לסכום ה-EMF בסיבובים שונים. סכום השטפים המגנטיים של סיבובים שונים של הסליל נקרא הצמדת שטף. יחידת המדידה של כמות זו, כמו גם השטף המגנטי, היא וובר.
כאשר הזרם החשמלי במעגל משתנה, משתנה גם השטף המגנטי שנוצר על ידו. במקביל, על פי חוק האינדוקציה האלקטרומגנטית, בפניםמוליך, נגרמת EMF. זה מופיע בקשר לשינוי בזרם במוליך, לכן תופעה זו נקראת אינדוקציה עצמית, וה-EMF המושרה במוליך נקרא Self-Induction EMF.
קישור השטף והשטף המגנטי תלויים לא רק בעוצמת הזרם, אלא גם בגודל ובצורה של מוליך נתון, ובחדירות המגנטית של החומר שמסביב.
השראות מוליכים
מקדם המידתיות נקרא השראות של המוליך. זה מתייחס ליכולת של מוליך ליצור קישור שטף כאשר חשמל עובר דרכו. זהו אחד הפרמטרים העיקריים של מעגלים חשמליים. עבור מעגלים מסוימים, השראות היא קבועה. זה יהיה תלוי בגודל קו המתאר, התצורה שלו והחדירות המגנטית של המדיום. במקרה זה, עוצמת הזרם במעגל והשטף המגנטי לא ישפיעו.
ההגדרות והתופעות לעיל נותנות הסבר מהו שדה מגנטי. כמו כן ניתנים המאפיינים העיקריים של השדה המגנטי, בעזרתם ניתן להגדיר תופעה זו.
