Воздействие магнитного поля на проводники с током используется, например, в электромоторах для превращения электрической энергии в механическую. Рассчитаем работу, которая совершается при перемещении проводника с током в магнитном поле. Для простоты допустим, что вдоль неподвижных проводников, расположенных в плоскости, перпендикулярной вектору индукции В магнитного поля, может перемещаться контактирующий с ними прямолинейный проводник длиной I (рис. III.62). Ток I через этот проводник вызывается источником, присоединенным к неподвижным проводникам. Обозначим через среднюю скорость упорядоченного движения электронов в проводниках. Допустим сначала, что рассматриваемый проводник неподвижен. На него будет действовать сила Ампера (т. е. равнодействующая всех сил Лоренца, действующих на электроны проводимости, находящиеся в данный момент в пределах объема проводника). Так как силы Лоренца и Ампера перпендикулярны направлению скорости то они работы не совершают и поэтому не могут изменить величину скорости
Мне нужна экранирующая пластина на 10 дБ
Таким образом, наш скучный и школьно-физический ответ - нет. Однако экранирующая пластина со значением дБ не существует, по крайней мере, совсем не. Затухание поля чрезвычайно зависит от выбранных геометрических условий, возмущений возмущений и частоты измерения! И поскольку нет допустимого стандарта для диапазона низкочастотного магнитного поля, который может быть использован для объективного измерения, такая характеристика дБ произвольно произвольна и в основном без содержания инструкции.
Однако мы хотели бы отметить следующие моменты. Коэффициент экранирования магнитного экрана, в частности, находится на рассмотрении.
- Геометрия.
- Прочность материала.
- Ослабление амплитуды облученного поля.
Допустим теперь, что проводник движется со скоростью и за некоторое время проходит расстояние х (рис. III. 62). В этом случае скорость упорядоченного движения электронов внутри проводника будет равна уже не, а векторной сумме скоростей Вследствие этого у движущегося проводника направления сил Лоренца и Ампера будут иными, чем у неподвижного. Значение этого важного обстоятельства будет обсуждаться в дальнейшем. Пока же мы допустим, что сила действующая на проводник в направлении его движения, сохраняется постоянной. Работа этой силы будет равна
Механическая обработка пластины изменяет свойства магнитного экранирования! Для эффективной защиты, после завершения всех механических работ рекомендуется магнитный окончательный отжиг. Экранирующие пластины часто предлагаются «мягкой отожженной». Магнитные свойства лучше, чем в «жестком» состоянии, но все еще очень далеки от оптимальных значений после магнитного окончательного отжига.
Экранирование «конструкционной сталью» - это работает?
Это зависит от конкретной проблемы экранирования. Строительная сталь в первом приближении представляет собой железо с соответствующим магнитным насыщением в области около 2 Тесла. Это означает, что магнитные свойства уже были всесторонне описаны, поскольку не существует стандартного или руководящего принципа, который описывает «конструкционные стали» магнитно. Поэтому возникает проблема, заключающаяся в том, что стали могут сильно распространяться в своих магнитных свойствах. Не только от марок стали до марок стали, но также от производителя до производителя и от партии до партии.
где магнитный поток через площадь описанную проводником. Таким образом, работа, совершаемая амперовой силой при перемещении проводника с током в магнитном поле, равна силе тока, умноженной на поток магнитной индукции через площадь, описанную этим проводником.
Этот вывод сохраняется и в общем случае, когда проводник имеет сложную форму. Допустим, что его отдельные элементарные части ориентированы под различными углами (а) к направлению вектора индукции возможно также, что для них углы между направлением перемещения и направлением силы Ампера а будут отличны от прямого. В этом случае работа, совершаемая при перемещении элементарной части проводника, будет равна
Это для одного магнитного щита часто рассчитываются риском: приготовьте меры экранирования параллельно магнитные свойства материала и коэффициент экрана шаблона. Ситуация различна, когда речь идет о серийном производстве: из правильной функции шаблона на устойчивой серии уже невозможно сделать вывод. В частности, если контроль за материальными закупками и характеристиками связан с третьими лицами. По этой причине, мы рекомендуем в этом случае использование мягкого железа, который в отличие от «конструкционной стали» определенных магнитных свойств, в частности, в связи с коэрцитивной силой, которая влияет, например, на магнитные потери при низкой частоте переменных поля, а также остаточное поле внутри щита, что после исчезновения источник магнитного поля все еще остается.
где площадь, описанная рассматриваемым элементом тока, магнитный поток через эту площадь. Суммируя эти элементарные работы, получим для всего проводника независимо от его формы и характера движения формулу
Формула (3.31) может применяться также и для вычисления работы, которая совершается в магнитном поле при перемещениях замкнутых контуров. Можно показать, что для замкнутых контуров означает изменение магнитного потока через площадь, охваченную этим контуром. При этом поле может быть неоднородным, поворот - неравномерным. Если плоский контур поворачивается в магнитном поле так, что угол а между направлениями вектора В и нормали к плоскости контура изменяется от до то
Конечно, вы также можете предоставить апартаменты с экраном. Однако здесь основное внимание уделяется вопросу о том, какая защита предназначена. Магнитные поля эффекта экранирования и на несколько порядков требуют замкнутого экранированного пространства, в котором даже колонна дверного проема является проблемой, не говоря уже о прозрачных окнах. Плита, прибитая к стене, поможет здесь немного или ничего.
Технически возможно экранировать комнату, чтобы уменьшить магнитное поле, например, на один, три или шесть порядков. Полуфабрикат представляет собой термин для материалов, находящихся в «промежуточном состоянии». Они уже имеют грубую форму, например, в виде полоски, в виде листа или полосы.
где наибольшее значение магнитного потока, когда плоскость контура перпендикулярна полю. Если контур представляет собой катушку (рамку) с одинаковыми витками, то
Покажем теперь, что работа перемещения совершается не магнитным полем, а электрическим током, проходящим через проводник. На рис. 111.63 показаны: скорость упорядоченного движения электронов в проводнике, зависящая от величины тока скорость движения самого проводника в магнитном поле, векторная сумма этих скоростей. Силы Лоренца (а следовательно, и их равнодействующая - сила Ампера) будут перпендикулярны вектору результирующей скорости и поэтому направлены под углом а к проводнику. Разложим каждую из сил Лоренца на составляющие (рис. 111.63). При движении электронов внутри проводника сила Лоренца, перпендикулярная их скорости работы не совершает, но составляющие и совершают равные и противоположные по знаку работы; за время
Наши полуфабрикаты являются исключительно мягкими магнитными сплавами, которые могут использоваться, например, для целей линии магнитного потока или для экранирования магнитных полей. Полуфабрикаты могут иметь совершенно другой статус обработки. Так стержни часто покрыты с поверхности патины и имеют допуски, которые больше, чем у стальных стержней, такие, которые обычно поставляются стальными торговцами. Производитель сплава обычно приписывает покупателю намерение дальнейшей обработки стержней.
С другой стороны, плиты и полоски, как правило, имеют очень однородную толщину и определенные и предварительно обработанные поверхности и кромки. Мягкие магнитные полуфабрикаты. Ферромагны представляют собой металлические вещества, содержащие железо, никель или кобальт. Эти сплавы имеют определенный тип подконструкции, которая способна организовать себя в магнитных полях, так что они могут принять гораздо больше, чем магнитный воздух тот же объем.
Очевидно, что такой же результат мы получим и для амперовой силы, действующей на прямолинейный элемент тока Заметим, что составляющая амперовой силы хотя и приложена к электронам проводимости, передается ионному каркасу проводника и поэтому может рассматриваться как механическая сила, приложенная ко
всему проводнику. По величине сила равна т. е. равна той амперовой силе, с которой магнитное поле действовало бы на неподвижный проводник. Таким образом, при движении проводника с током в магнитном поле работа силы направленной вдоль скорости проводника должна компенсироваться равной и противоположной по знаку работой силы направленной против скорости Это означает, что работа сил совершается не за счет магнитного поля, а за счет энергии упорядоченного движения электронов проводимости.
Таким образом, способность проводить магнитные поля очень сильные магнитные поля, часто гораздо более энергетически выгодным протекать через ферромагнетик, чем по воздуху. Конечно, возможно, что в этом районе есть еще и другие полевые источники. В этом случае для его поиска следует использовать устройство измерения магнитного поля. Возможно, также, что экранирование само по-прежнему излучает поле в комнату. Причиной этого является остаточная часть материала. Каждый мягкий магнитный материал обладает этим свойством, которое зависит от материала, но также и от геометрии экранирования.
Рассмотрим частный случай, когда проводник движется в магнитном поле с постоянной скоростью и ток в нем поддерживается постоянным. Это возможно, во-первых, если к проводнику будет приложена внешняя сила равная и направленная в противоположную сторону, и, во-вторых, если источник тока будет поддерживать постоянной скорость упорядоченного движения электронов Благодаря первому условию сумма сил равна нулю и поэтому скорость будет постоянной. Второе условие означает, что источник тока должен затрачивать энергию, в точности равную работе сил тормозящих движение электррнов проводимости. Согласно закону сохранения энергии, для любого промежутка времени должно соблюдаться соотношение (верное как для каждого отдельного электрона проводимости, так и, следовательно, для всех электронов проводимости, содержащихся в каком-нибудь объеме проводника с током)
Оставшуюся можно представить себе так: Магнитные поля в ферромагнетиках приводят к перестройке структур в материале. В результате очень большое магнитное поле может транспортироваться в узком пространстве. Эта перестройка представляет собой сложный процесс, состоящий из нескольких частей, детали которых по-прежнему спорны среди экспертов. Если внешнее магнитное поле выключено, некоторые из этих перестроек меняются на противоположные. Другие остаются в реорганизованном государстве, которое было поражено внешним полем, потому что оно энергетически выгодно.
И контура с током в магнитном поле
На проводник с током в магнитном поле действуют силы, определяемые законом Ампера (см. § 111). Если проводник не закреплен (например, одна из сторон контура изготовлена в виде подвижной перемычки, рис. 177), то под действием силы Ампера он будет в магнитном поле перемещаться. Следовательно, магнитное поле совершает работу по перемещению проводника с током.
И эти «остаточные» намагниченности означают ничего, кроме того, что поле «хранится» в материале и измеряется вблизи экранирования. Эффект в основном идентичен эффекту, который возникает, когда вы втираете стальной гвоздь на магнит, а затем все еще можете поднимать другие гвозди или канцелярские зажимы. Это тоже эффект остаточного воздействия.
Мягкие магнитные сплавы «разводят», чтобы иметь как можно меньше остатков. Тем не менее, необычно указывать остаточность материала, поскольку геометрия также играет определенную роль. Однако остаточная связь настолько тесно связана со значением силы коэрцитивного поля, что сила коэрцитивного поля может быть использована для вывода основного остаточного поведения сплава. Это свойство также играет важную роль в индуктивных компонентах.
Для определения этой работы рассмотрим проводник длиной l с током I (он может свободно перемещаться), помещенный в однородное внешнее магнитное поле, перпендикулярное плоскости контура. Сила, направление которой определяется по правилу левой руки, а значение - по закону Ампера (см. (111.2)), равна
Размагничивание магнитного экрана может быть полезно для предотвращения эффектов, вызванных высокой остаточностью и пониженной проницаемостью. Оба свойства, однако, ограничены самими материалами и геометрией. Таким образом, невозможно размагничивать щит несколько раз, чтобы улучшить магнитные свойства. Существует «наилучшее условие», которое идеально настраивается после окончательного магнитного отжига в конце производственного процесса и может быть восстановлено.
Существуют две возможности размагничивания. Размагничивание с помощью полей позволяет «искоренить» поле, запечатленное в материале. Для этого требуется переменное поле, которое управляет объектом с уменьшающейся амплитудой. Если этот процесс происходит достаточно медленно, остаточные поля, первоначально содержащиеся в эффектах остаточного воздействия в материале, «сбиты». В случае магнитных измерительных приборов часто используется «функция размагничивания», которая работает в соответствии с этим принципом.
Под действием этой силы проводник переместится параллельно самому себе на от резок dx из положения 1 в положение 2. Работа, совершаемая магнитным полем, равна
так как ldx = dS- площадь, пересекаемая проводником при его перемещении в магнитном поле, BdS = dФ - поток вектора магнитной индукции, пронизывающий эту площадь. Таким образом,
Однако размагничивание по полях имеет ограничения: поэтому невозможно отменить повреждение материала. Если у вас есть пониженная проницаемость или более высокая остаточная защита в щите, то можно избавиться от остаточных полей процессом размагничивания - но каждое внешнее поле снова может намагнитить экран. Просто избежать этих остаточных полей просто невозможно. Поэтому в этом случае полезно только вторая возможность размагничивания.
В отличие от размагничивания с помощью полей здесь проводится термическая перестройка материала, которая фактически и постоянно изменяет внутреннюю структуру. Поэтому магнитный окончательный отжиг в производственном процессе не может быть заменен размагничиванием!
(121.1)
т. е. "работа по перемещению проводника с током в магнитном поле равна произведению силы тока на магнитный поток, пересеченный движущимся проводником. Полученная формула справедлива и для произвольного направления вектора В.
Являются ли магнитные экраны ферромагнитными?
При отжиге дефекты также могут быть излечены. Однако невозможно привести коэрцитивную силу ниже материальной ценности - независимо от того, как часто, как долго и насколько высок свет. Мягкие магнитные сплавы занимают магнитные поля и направляют их вокруг защищаемой области. Неферромагнитные вещества практически не влияют на магнитные поля. По крайней мере, до такой степени, что макроскопические магнитные поля нельзя ни направлять, ни отталкивать. Поэтому также невозможно найти щит, который не притягивается магнитом!
Вычислим работу по перемещению замкнутого контура с постоянным током I в магнитном поле. Предположим, что контур М перемещается в плоскости чертежа и в результате бесконечно малого перемещения займет положение М", изображенное на рис. 178 штриховой линией. Направление тока в контуре (по часовой стрелке) и магнитного поля (перпендикулярно плоскости чертежа - за чертеж) указано на рисунке. Контур М мысленно разобьем на два соединенных своими концами проводника: ABC и CDА.
Что такое мягкие магнитные сплавы?
Мягко-магнитные сплавы представляют собой ферромагнитные реагенты, которые, с одной стороны, склонны поглощать магнитные поля. В основном, однако, «мягкое магнитное» означает, что такой сплав, однажды подвергшийся воздействию магнитного поля и, таким образом, намагниченный, почти полностью теряет эту намагниченность. Это прямой контраст с жесткомагнитными материалами, используемыми для постоянных магнитов.
Возможно, несколько более наглядно объясняется: например, сталь «полевой лес и луга», используемая для гвоздя, может быть намагничена в магнитном поле таким образом, что она все еще имеет достаточно «сохраненного» магнитного поля даже после выключения поля поднять еще один гвоздь.
Работа dA, совершаемая силами Ампера при рассматриваемом перемещении контура в магнитном поле, равна алгебраической сумме работ по перемещению проводников ABC (dA 1) и CDA (dA 2), т. е.
Силы, приложенные к участку CDАконтура, образуют с направлением перемещения острые углы, поэтому совершаемая ими работа dA 2 >0. Согласно (121.1), эта работа равна произведению силы тока I в контуре на пересеченный проводником CDAмагнитный поток. Проводник CDАпересекает при своем движении поток dФ 0 сквозь поверхность, выполненную в цвете, и поток dФ 2 , пронизывающий контур в его конечном положении. Следовательно,
И что он имеет на моем щите?
Однако, как квазичастицы, которые существуют только «практически». Верно это или нет - мы откровенно понятия не имеем. Однако это не повлияет на функционирование и эффективность макроскопического магнитного экранирования в «реальном мире». В частности, не будет возможности делить макроскопические постоянные магниты на север и юг.
Об авторах и об этом информационном тексте
Для интерпретации и важности квазичастиц мы хотели бы сослаться на соответствующую физическую литературу. Эта сборка типичных вопросов предназначена для иллюстрации иллюстративного обзора сложного объекта магнитной защиты и в основном содержит информацию, которая не может быть хорошо размещена в брошюрах и таблицах данных.
(121.3)
Силы, действующие на участок AВСконтура, образуют с направлением перемещения тупые углы, поэтому совершаемая ими работа dA 1 < 0. Проводник AВС пересекает при своем движении поток dФ 0 сквозь поверхность, выполненную в цвете, и поток dФ 1 , пронизывающий контур в начальном положении. Следовательно,
Подставляя (121.3) и (121.4) в (121.2), получим выражение для элементарной работы:
где dФ 2 - dФ 1 = dФ"- изменение магнитного потока сквозь площадь, ограниченную контуром с током. Таким образом,
(121.5)
Проинтегрировав выражение (121.5), определим работу, совершаемую силами Ампера, при конечном произвольном перемещении контура в магнитном поле:
(121.6)
т. е. работа по перемещению замкнутого контура с током в магнитном поле равна произведению силы тока в контуре на изменение магнитного потока, сцепленного с контуром. Формула (121.6) остается справедливой для контура любой формы в произвольном магнитном поле.
Задачи
14.1. Тонкое кольцо массой 15 г и радиусом 12 см несет заряд, равномерно распределенный с линейной плотностью 10 нКл/м. Кольцо равномерно вращается с частотой 8 с -1 относительно оси, перпендикулярной плоскости кольца и проходящей через ее центр. Определить отношение магнитного момента кругового тока, создаваемого кольцом, к его моменту импульса.
14.2. По проводу, согнутому в виде квадрата со стороной, равной 60 см, течет постоянный ток 3 А. Определить индукцию магнитного поля в центре квадрата.
14.3. По двум бесконечно длинным прямым параллельным проводникам, расстояние между которыми равно 25 см, текут токи 20 и 30 А в противоположных направлениях. Определить магнитную индукцию В вточке, удаленной на г 1 =30 см от первого и г 2 =40 см от второго проводника.
14.4. Определить магнитную индукцию на оси тонкого проволочного кольца радиусом 10 см, по которому течет ток 10 А, в точке, расположенной на расстоянии 15 см от центра кольца.
14.5. Два бесконечных прямолинейных параллельных проводника с одинаковыми токами, текущими в одном направлении, находятся друг от друга на расстоянии R. Чтобы их раздвинуть до расстояния 3R, на каждый сантиметр длины проводника затрачивается работа А= 220 нДж. Определить силу тока в проводниках.
14.6. Определить напряженность поля, создаваемого прямолинейно равномерно движущимся со скоростью 500 км/с электроном в точке, находящейся от него на расстоянии 20 нм и лежащей на перпендикуляре к скорости, проходящем через мгновенное положение электрона.
14.7. Протон, ускоренный разностью потенциалов 0,5 кВ, влетая в однородное магнитное поле с индукцией 0,1 Тл, движется по окружности. Определить радиус этой окружности.
14.8. Определить, при какой скорости пучок заряженных частиц, проходя перпендикулярно область, в которой созданы однородные поперечные электрическое и магнитное поля с E = 10 кВ/м и В = 0,2Тл, не отклоняется.
14.9. Циклотрон ускоряет протоны до энергии 10 МэВ. Определить радиус дуантов циклотрона при индукции магнитного поля 1 Тл. [>47 см]
14.10. Через сечение медной пластинки толщиной 0,1 мм пропускается ток 5 А. Пластинка помещается в однородное магнитное поле с индукцией 0,5 Тл, перпендикулярное ребру пластинки и направлению тока. Считая концентрацию электронов проводимости равной концентрации атомов, определить возникающую в пластине поперечную (холловскую) разность потенциалов. Плотность меди 8,93 г/см 3 .
14.11. По прямому бесконечно длинному проводнику течет ток 15 А. Определить, пользуясь теоремой о циркуляции вектора В, магнитную индукцию В вточке, расположенной на расстоянии 15 см от проводника.
14.12. Определить, пользуясь теоремой о циркуляции вектора В, индукцию и напряженность магнитного поля на оси тороида без сердечника, по обмотке которого, содержащей 300 витков, протекает ток 1 А. Внешний диаметр тороида равен 60 см, внутренний - 40 см.
14.13. Поток магнитной индукции сквозь площадь поперечного сечения соленоида (без сердечника) Ф = 5 мкВб. Длина соленоида l = 25 см. Определить магнитный момент р т этого соленоида.
14.14. Круглая рамка с током площадью 20 см 2 закреплена параллельно магнитному полю (5 = 0,2 Тл), и на нее действует вращающий момент 0,6 мН"м. Рамку освободили, после поворота на 90° ее угловая скорость стала 20 с -1 . Определить: 1) силу тока, текущего в рамке; 2) момент инерции рамки относительно ее диаметра.
Глава 15
Электромагнитная индукция
