Характеристика магнитного поля: Магнитное поле и его характеристики – онлайн-тренажер для подготовки к ЕНТ, итоговой аттестации и ВОУД - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

| Характеристики магнитного поля | Fiziku5

Магнитное поле – одна из двух сторон электромагнитного поля, характеризующаяся воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и её скорости.

В проводнике с током и вокруг него возникает магнитное поле. Оно может возникать не только вокруг проводников с током, но и при движении любых заряженных частиц и тел, а также при изменении электрического поля.

Свойства магнитного поля:

— оказывает силовое воздействие на движущиеся в нем заряженные тела и на неподвижные проводники с электрическим током;

— способно намагничивать ферромагнитные тела;

— возбуждать ЭДС в проводниках, которые перемещаются в магнитном поле.

Характеристики магнитного поля:

— магнитная индукция В = ;

— магнитный поток Ф = В · S;

— абсолютная магнитная проницаемость μа = μ0 · μr;

— относительная магнитная проницаемость

μr;

— магнитная постоянная μ0

— напряжённость магнитного поля Н = .

Правило буравчика (для прямолинейного проводника): если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока в проводе, то вращение рукоятки буравчика укажет направление магнитных силовых линий.

Правило буравчика для катушки с током: если рукоятку буравчика вращать по направлению тока в витках, то его поступательное движение совпадёт с направлением магнитных линий внутри катушки.

Правило правой руки (для определения направления ЭДС индукции): если ладонь правой руки нужно расположить так, чтобы магнитные линии входили в неё, а отогнутый под прямым углом большой палец указывал направление движения проводника, то выпрямленные четыре пальца руки укажут направление индуцированной ЭДС.

Правило левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы магнитные линии входили в неё, а четыре выпрямленных пальца совпадали с направлением тока, то отогнутый под прямым углом большой палец укажет направление силы.

2. Данные всех приборов и машин занесите в таблицу 1.

I. Снятие характеристики холостого хода

3. После проверки схемы преподавателем, включите схему. Плавно изменяя ток возбуждения Iвозб, с помощью реостата Rрег снять показания амперметра и вольтметра. Данные замеров занесите в таблицу 2.

Таблица 2

№ опыта	Iвозб, А	Евосх, В	Енисх, В
1
2
3
4
5
6
7
8

4. По данным опыта постойте характеристики холостого хода:

Е, В

Iвозб, А

II. Снятие внешней характеристики

5. Включить двигатель и с помощью реостата Rрег установить на зажимах генератора номинальное напряжение Uн, согласно заданию преподавателя. Плавно увеличивая ток нагрузки

Iн, включая поочерёдно соответствующие тумблеры снять показания амперметров и вольтметра. Данные замеров занесите в таблицу 3.

Таблица 3

№ опыта	U, В	Iнагр, А	Iвозб, А
1
2
3

В любой машине чётко выделяются подвижная (ротор) и неподвижная (статор) части. Часть машины, в которой индуцируется электродвижущая сила (ротор), называют якорем, а часть машины, в которой создаётся магнитное поле возбуждения (статор) – индуктором.

Работа электрической машины характеризуется взаимодействием двух направленных навстречу друг другу вращающих моментов, один из которых создаётся механическими, а другой – электромагнитными силами. Кроме того, работа двигателя и генератора характеризуется взаимодействием напряжения сети и ЭДС, возникающей в обмотке якоря.

Различают генераторы независимого возбуждения и генераторы с самовозбуждением.

В генераторах независимого возбуждения основной магнитный поток создаётся либо постоянным магнитом, либо электромагнитом (обмоткой возбуждения), питаемым от источника постоянного тока.

В генераторах с самовозбуждением питание обмотки главных полюсов осуществляется напряжением самого генератора. При этом отпадает необходимость в отдельном источнике энергии. В зависимости от схемы включения обмотки возбуждения различают генераторы параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

Основные характеристики генераторов:

· холостого хода – зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения при постоянной частоте вращения якоря и отключённой нагрузке Е = f (Iв);

· внешняя характеристика – зависимость нагрузки на зажимах генератора от тока нагрузки при постоянной частоте вращения и постоянном сопротивлении цепи возбуждения

U = f (I);

· регулировочная характеристика – зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при постоянных частоте вращения и напряжении на зажимах генератора Iв = f (I).

Порядок выполнения работы:

1. Соберите электрическую схему, показанную на рисунке 1.

Рисунок 1.

Оборудование:

1. Аккумуляторная батарея

2. Гальванометр

3. Реостат

4. Полосовой постоянный магнит

5. Индукционная катушка с сердечником

Порядок выполнения работы:

I. Проверка законов электромагнитной индукции

1. Вводя в катушку постоянный электромагнит, как показано на рисунке 1, замерьте отклонения стрелки гальванометра и запишите результаты измерений.

Рисунок 1

· Рис. а) — __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

· Рис. б) — __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

· Рис. в) — __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

· Рис. г) — __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

II. Изучение явления самоиндукции

2. Изучите явление самоиндукции, используя две индукционных катушки, как показано на рисунке 2. Запишите результаты наблюдений.

Рисунок 2

индукция, поток индукции. Линии магнитного поля.

Магнитное поле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения, магнитная составляющая электромагнитного поля.

Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/или магнитными моментами электронов в атомах (и магнитными моментами других частиц, хотя в заметно меньшей степени) (постоянные магниты).

Кроме этого, оно появляется при наличии изменяющегося во времени электрического поля.

Характеристики магнитного поля:

Магнитная индукция — векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства. Определяет, с какой силой F(вектор) магнитное поле действует на заряд q, движущийся со скоростью v(вектор) .

Также магнитная индукция может быть определена как отношение максимального механического момента сил, действующих на рамку с током, помещенную в однородное поле, к произведению силы тока в рамке на её площадь.

В системе СИ магнитная индукция поля измеряется в гауссах (Гс), в системе СИ — в теслах (Тл)

1 Тл = 104 Гс

Поток магнитной индукции

Поток Ф вектора магнитной индукции В через поверхность. Магнитный поток dФ через малую площадку dS, в пределах которой вектор В можно считать неизменным, выражается произведением величины площадки и проекции Bn вектора на нормаль к этой площадке, т. е. dФ=BndS. Магнитный поток Ф через конечную поверхность S определяется интегралом: Ф=SBndS.

Для замкнутой поверхности этот интеграл равен нулю, что отражает соленоидальный характер магнитного поля, т. е. отсутствие в природе магнитных зарядов — источников магнитные поля (магнитные поля создаются электрическими токами). Единица магнитного потока в Международной системе единиц (СИ) — вебер, в СГС системе единиц — максвелл; 1 Вб=108 Мкс.

Силовые линии магнитного поля

Силовыми линиями магнитного поля называются линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции.

По определению направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением магнитной стрелки.

14. Взаимосвязь электрического и магнитного полей. Электромагнитная волна. Скорость электромагнитных волн.

Вместе, магнитное и электрическое поля образуют электромагнитное поле, проявлениями которого являются, в частности, свет и все другие электромагнитные волны.

Электромагнитное поле — фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты.

Электромагнитное излучение (электромагнитные волны) — электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды.

Электромагнитное излучение подразделяется на

радиоволны (начиная со сверхдлинных),
инфракрасное излучение,
видимый свет,
ультрафиолетовое излучение,
рентгеновское излучение и жесткое (гамма-излучение)

Скорость электромагнитных волн равна: n = 1/v(ee_omm_o₎=с/v(em), где e_o и m_o — электрическая и магнитная постоянные, e и m — электрическая и магнитная проницаемость среды. В вакууме эта скорость равна скорости света, так как e= 1 и m= 1. В веществе скорость распространения электромагнитных волн всегда меньше, чем в вакууме.

В вакууме скорость электромагнитной волны равна скорости света: с = 299792458±1,2 м/с.

Характеристики, происхождение и значение магнитного поля Земли

Земля имеет земное магнитное поле благодаря которому мы все еще живы. Это магнитное поле распространяется изнутри планеты наружу и в космос, где встречается с солнечным ветром. Оно также известно под названием геомагнитного поля и определяется количеством металлов, содержащихся в ядре, последнем из слоев Земли.

В этой статье мы увидим важность магнитного поля Земли, его происхождение, функции и то, что в настоящее время происходит с ним.

Содержание

1 Что такое
2 Как оно формируется
3 Характеристики магнитного поля Земли
4 Важность магнитного поля

Что такое

2 тип магнита, который у нас есть внутри нашей планеты. Магнитное поле создается своего рода электрическими токами, возникающими в результате так называемых конвекционных токов, существующих в ядре Земли. Эти электрические токи возникают из-за того, что в ядре находится большое количество металлов, таких как железо и никель. Процесс, посредством которого возникают конвекционные потоки, называется геодинамикой.

Наука давно занимается изучением магнитного поля Земли. Ядро Земли составляет около двух третей размера Луны. Она составляет около 5700 градусов по Цельсию, так что железо почти такое же горячее, как и поверхность самого Солнца. Дано . Поскольку есть давление, оказываемое другими слоями Земли, мы можем видеть, что железо не жидкое. Внешнее ядро представляет собой еще один слой толщиной 2000 км, состоящий из железа, никеля и других металлов, находящихся в жидком состоянии. Это связано с тем, что давление во внешнем ядре ниже, поэтому высокие температуры вызывают расплавление металлов.

Различия в температуре, давлении и составе во внешнем ядре вызывают так называемые конвекционные потоки расплавленного металла. Когда более холодная и плотная материя опускается, более теплая и менее плотная материя начинает подниматься. То же самое происходит с воздушными массами в атмосфере. Мы также должны учитывать, что эффект Кориолиса из-за вращательного движения Земли также действует. В результате создается вихрей, перемешивающих расплавленные металлы.

Как формируется

Непрерывное движение жидкости, состоящей в основном из железа, генерирует электрические токи, которые, в свою очередь, создают магнитные поля. Электрически заряженные металлы проходят через эти магнитные поля и продолжают создавать собственные электрические токи. Таким образом, цикл увековечен. Полный и самодостаточный цикл называется геодинамикой.

Сила Кориолиса образует спираль, которая заставляет множество магнитных полей выстраиваться в одном направлении. Совместное действие всех этих магнитных силовых линий создает магнитное поле, окутывающее Землю.

Когда мы говорим о слое Земли или атмосфере, связанной с магнитным полем Земли, мы говорим о магнитосфере. Это область атмосферы, которая находится снаружи, окружающая планету и полностью контролируется магнитным полем этой Земли. Форму магнитосфере придает солнечный ветер, падающий на поверхность. Этот солнечный ветер сжимает часть магнитосферы и, следовательно, расширяет противоположную сторону. Это большое расширение известно как «магнитный хвост».

Солнечный ветер — это деятельность нашей главной звезды, Солнца. Этот солнечный ветер наполнен излучением, которое, если оно попадет в нашу атмосферу, может нанести серьезный ущерб телекоммуникационным системам во всем мире . Это было бы катастрофой для технологического века, в котором мы живем. GPS выходил из строя, не было телефонной связи, радиоволн, телевидения и т. д. Следовательно, благодаря существованию магнитосферы мы защищены.

Характеристики магнитного поля Земли

Мы собираемся проанализировать характеристики этого магнитного поля, которое наука открыла за многие годы и тысячи исследований.

Напряженность магнитного поля минимальна вблизи экватора и максимальна на полюсах.
Внешний предел — магнитопауза.
Магнитосфера динамически действует под действием солнечного ветра. В зависимости от активности он может с одной стороны сжиматься больше, а с другой расширяться, что называется магнитным хвостом.
Северный и южный магнитные полюса не совпадают с географическими полюсами. Например, между магнитным и географическим северными полюсами около 11 градусов отклонения.
Направление поля медленно меняется, и ученые изучают его изменение. Движение ускорилось на 40 миль в год.
Существуют различные геологические записи, которые были изучены благодаря некоторым минералам с морского дна, в которых говорится, что магнитное поле менялось сотни раз на противоположное за последние 500 миллионов лет . В этой инверсии полюса были бы на противоположных концах, так что, если бы мы использовали обычный компас, он указывал бы не на север, а на юг.

Важность магнитного поля

Чтобы вы могли понять важность магнитного поля, мы собираемся объяснить, какие функции оно выполняет и что оно означает для нашей планеты. Это то, что защищает нас от вреда, который может причинить солнечный ветер, как мы упоминали ранее. Благодаря этой магнитосфере мы можем воспринимать солнечный ветер через некоторые очень привлекательные явления, такие как северное сияние.

Благодаря этому магнитному полю у нас есть атмосфера. Атмосфера – это та, которая защищает нас от солнечных лучей Солнца и та, которая поддерживает обитаемую температуру. В противном случае температура колебалась бы между 123 градусами и -153 градусами. Следует также сказать, что тысячи животных, в том числе такие виды, как птицы и черепахи, используют магнитное поле для навигации и ориентации в период миграции.

Я надеюсь, что с помощью этой информации вы сможете больше узнать о магнитном поле Земли и его важности.

Характеристики сверхпроводящих магнитов

Наиболее выдающейся особенностью сверхпроводящего магнита является его способность поддерживать очень высокую плотность тока с исчезающе малым сопротивление. Эта характеристика позволяет создавать магниты, которые генерируют интенсивные магнитные поля практически без электрического поля. входная мощность. Эта особенность также позволяет генерировать крутые градиенты магнитного поля в полях настолько интенсивных, что использование ферромагнитных материалы для формирования поля имеют ограниченную эффективность. Поскольку плотность тока высока, сверхпроводящие магнитные системы вполне компактны и занимают мало места в лаборатории.

Еще одной особенностью сверхпроводящих магнитов является стабильность магнитного поля в персистентном режиме работы. В постоянном В режиме работы постоянная времени L/R чрезвычайно велика, и магнит может работать в течение нескольких дней или даже месяцев с почти постоянной поле, характеристика большого значения, когда усреднение сигнала должно выполняться в течение длительного периода времени.

Небольшие сверхпроводящие магниты часто используются для достижения напряженности поля, стабильности или профилей, недостижимых с помощью альтернативные магниты или потому, что их стоимость меньше, чем стоимость обычных магнитов, предлагающих сравнимые или худшие характеристики. В больших магнитах компромисс часто делается в пользу сверхпроводящих магнитов, исходя из относительной стоимости энергии для работа с магнитами. Компромисс стоимости становится более благоприятным для сверхпроводящих магнитов по мере увеличения периода эксплуатации.

Интенсивность магнитного поля 1 Тесла или менее, не требующая требований к стабильности, часто лучше создается с помощью медные змеевики с водяным охлаждением с железом или без него.

Материалы и производительность

Большинство сверхпроводящих магнитов намотаны с использованием проводников, состоящих из множества тонких нитей из ниобий-титанового (NbTi) сплава. встроен в медную матрицу. Эти проводники в значительной степени заменили одинарные проводники, так как их магнитное поле более легко проникает в тонкие нити, что приводит к большей стабильности и меньшему диамагнетизму. Следовательно, линейность магнитного поле и ток магнита значительно улучшены. Еще одним преимуществом этих проводников является более высокая скорость, с которой магнит может обычно заряжаются и разряжаются в течение нескольких минут для большинства магнитов лабораторного размера.

Хотя большинство магнитов намотаны многожильными ниобий-титановыми проводниками, некоторые из них изготовлены из многожильных, ниобий-олово (Nb ₃ Sn) проводники и некоторые с одиночными нитями ниобия-титана. Nb ₃ Sn проводники используются, когда поле, испытываемое проводником, превышает примерно 9 тесла (90 кГс). Типичные магниты этого типа намотаны с комбинация обмоток NbTi в области слабого поля и Nb ₃ Обмотки Sn в области сильного поля. Поскольку многофиламентный Nb ₃ Sn дорогой, хрупкий и трудно наматываемый, эти магниты стоят дороже, чем магниты NbTi.

Магниты NbTi с одной нитью предпочтительнее использовать там, где обычно важна стабильность магнитного поля в течение длительного периода времени. в измерениях ядерного магнитного резонанса. С этим материалом можно получить лучшую работу в постоянном режиме, а поскольку поле поддерживается постоянной в течение длительного периода времени, дополнительное время, необходимое для зарядки магнита, не имеет значения.

Во время гашения магнит генерирует высокое внутреннее напряжение и локальные повышенные температуры. Они вызывают электрические и механические напряжения в обмотках. Последствия гашения зависят от конструкции магнита и его вспомогательного оборудования. Постоянный урон к магниту может произойти. Нормальная работа магнита при указанной температуре и магнитных полях, равных или меньших номинальное поле не может привести к повреждению магнита, и на каждый магнит распространяется гарантия, покрывающая этот тип работы.

Ниобий-титановые магниты иногда работают при температурах ниже нормальной температуры кипения жидкого гелия (4,2 К) для достижения еще более высокие поля. Как правило, соленоид на 8 тесла достигает 9,5-10 тесла при работе на 2K. Магниты AMI оцениваются с точки зрения их производительность на уровне 4.2K. Поля, достижимые при более низких температурах, гарантируются только в том случае, если магнит рассчитан на более низкую температуру. операция. Некоторого улучшения характеристик также можно добиться за счет снижения температуры Nb 9.0108 3 Sn магниты, но увеличение поля не столь значительно, как в магнитах NbTi. При работе при пониженных температурах и более высоких полях энергия в магните можно увеличить на 50% и более. Следовательно, магнит может быть непоправимо поврежден, если произойдет гашение и магнит недостаточно защищен. Этот тип операции не следует предпринимать без согласования с производителем магнита, который вы используете. может лишить вас гарантии.

Интенсивность магнитного поля

Недостаточное указание интенсивности и однородности магнитного поля, используемого в ваших экспериментах, может серьезно повлиять на ваши эксперименты. Результаты. Однако завышение этих параметров может значительно увеличить затраты.

Экономический компромисс имеет место в магнитах, в которых поле, испытываемое обмотками, превышает примерно 9 тесла, что является максимальное поле, при котором удобно использовать сверхпроводящие сплавы NbTi, составляет 4,2 К. Более высокие поля могут быть достигнуты в этом температура с использованием Nb ₃ Sn проводники, но увеличение стоимости заслуживает особого внимания. Работает магнит на 10 Тесла. на 4,2 К значительно дороже, чем магнит на 9 тесла того же размера.

Характеристики однородности

Различные производители однородных магнитов приняли разные стандарты для определения однородности своих магнитов. Большинство производители указывают однородность с точки зрения ширины резонансного сигнала на половине высоты сигнала.

AMI использует более консервативный подход, который измеряет магнитное поле в различных точках заданного однородного объема, используя образец ЯМР малого объема. Следовательно, небольшие отклонения в любой точке объема будут обнаружены. Используя образец ЯМР, равный однородный объем не обязательно выявляет такие небольшие отклонения.

Если область образца, занимающая 10 % указанного объема, находилась в поле с максимальной неоднородностью в пять раз больше указанного, вероятно, эта неоднородность не будет замечена. Причина в том, что площадь под этой частью кривая составляет всего 10% от общей площади, а ширина резонансной линии в пять раз больше. Следовательно, это неоднородное области приводит к длинному неглубокому хвосту на основе резонансного сигнала.

Стоимость однородности может ввести в заблуждение. Однородность ±0,1% в сферическом объеме диаметром один сантиметр (DSV) рутина. Однородность ±0,001% в том же объеме требует более крупных магнитов и значительно больших усилий при их изготовлении. Еще более однородные магниты требуют использования отдельно питаемых сверхпроводящих катушек или подстроечных катушек при комнатной температуре. Эти катушки может увеличить стоимость довольно быстро. Внутренний диаметр магнита примерно равен диаметру однородной области. указано.

Постоянные переключатели

Постоянные переключатели предусмотрены на многих магнитах, чтобы повысить их стабильность в течение длительных периодов времени или снизить скорость выкипание гелия, связанное с непрерывной подачей тока на магнит.

Постоянный переключатель состоит из короткого отрезка сверхпроводящего провода, соединенного между входными клеммами магнита и встроенный нагреватель, используемый для перевода провода в резистивное нормальное состояние. Когда нагреватель включен, а провод резистивный, напряжение может быть установлено на клеммах магнита, и магнит может быть запитан. После подачи питания нагреватель включается выключен, провод становится сверхпроводящим, и дальнейшие изменения магнитного тока не могут быть сделаны. В этом постоянном режиме работы внешний источник питания можно отключить, чтобы уменьшить подвод тепла к гелиевой ванне, и ток будет продолжать циркулировать через магнит и упорный переключатель.

Токовые переключатели постоянного режима устанавливаются и становятся неотъемлемой частью магнита. Это необходимо, поскольку требуется особая осторожность. необходимо соблюдать при выполнении соединений между выключателем и выводами магнита.