Индукция магнитного поля единица измерения – Тесла (единица измерения) — Википедия

Единицы измерения магнитных величин

      Закон Ампера используется для установления единицы силы тока – ампер.

      Ампер – сила тока неизменного по величине, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого сечения, расположенным на расстоянии один метр, один от другого в вакууме, вызывает между этими проводниками силу в .

,

(2.4.1)

Здесь ; ; ;

      Определим отсюда размерность и величину  в  СИ.

       , следовательно

,  или    .

      Из закона Био–Савара–Лапласа, для прямолинейного проводника с током , тоже можно найти размерность индукции магнитного поля:

      Тесла – единица измерения индукции в  СИ.    .

      Гаусс – единица измерения в Гауссовой системе единиц (СГС).

      1 Тл равен магнитной индукции однородного магнитного поля, в котором на плоский контур с током, имеющим магнитный момент , действует вращающий момент .

Тесла Никола (1856–1943) – сербский ученый в области электротехники и радиотехники. Имел огромное количество изобретений. Изобрел электрический счетчик, частотомер и др. Разработал ряд конструкций многофазных генераторов, электродвигателей и трансформаторов. Сконструировал ряд радиоуправляемых самоходных механизмов. Изучал физиологическое действие токов высокой частоты. Построил в 1899 г. радиостанцию на 200 кВт в Колорадо и радиоантенну высотой 57,6 м в Лонг-Айленде (башня Ворденклиф). Вместе с Эйнштейном и Опенгеймером в 1943 г. участвовал в секретном проекте по достижению невидимости американских кораблей (Филадельфийский эксперимент). Современники говорили о Тесле как о мистике, ясновидце, пророке, способном заглянуть в разумный космос и мир мертвых. Он верил, что с помощью электромагнитного поля можно перемещаться в пространстве и управлять временем.

      Другое определение: 1 Тл равен магнитной индукции, при которой магнитный поток сквозь площадку 1 м², перпендикулярную направлению поля, равен 1 Вб.

      Единица измерения магнитного потока Вб, получила свое название в честь немецкого физика Вильгельма Вебера (1804–1891) – профессора университетов в Галле, Геттингене, Лейпциге.

      Как мы уже говорили, магнитный поток Ф через поверхность S – одна из характеристик магнитного поля (рис. 2.5):

    

Рис. 2.5

      Единица измерения магнитного потока в СИ:

. ,а так как , то .

      Здесь Максвелл (Мкс) – единица измерения магнитного потока в СГС названая в честь знаменитого английского ученого Джеймса Максвелла (1831–1879), создателя теории электромагнитного поля.

      Напряженность магнитного поля Н измеряется в .

,      .

      Сведем в одну таблицу основные характеристики магнитного поля.

Таблица 2.1

Наименование	Обозначение	СИ	СГС	СИ/СГС
Магнитная индукция	В		Гс
Напряженность магнитного поля	Н	А/м	Э
Магнитная постоянная	μ0		1
Поток магнитной индукции	ФB	Вб ( )	Мкс

---

ens.tpu.ru

Магнитная индукция, магнитный поток: определение, формулы, смысл

Магнитная индукция (обозначается символом В) – главная характеристика магнитного поля (векторная величина ), которая определяет силу воздействия на перемещающийся электрический заряд (ток) в магнитном поле, направленной в перпендикулярном направлении скорости движения.

Магнитная индукция определяется способностью влиять на объект с помощью магнитного поля. Эта способность проявляется при перемещении постоянного магнита в катушке, в результате чего в катушке индуцируется (возникает) ток, при этом магнитный поток в катушке также увеличивается.

Физический смысл магнитной индукции

Физически это явление объясняется следующим образом. Металл имеет кристаллическую структуру (катушка состоит из металла). В кристаллической решетке металла расположены электрические заряды — электроны. Если на металл не оказывать ни какое магнитное воздействие, то заряды (электроны) находятся в покое и никуда не движутся.

Если же металл попадает под действие переменного магнитного поля (из-за перемещения постоянного магнита внутри катушки — именно перемещения), то заряды начинают двигаться под действием этого магнитного поля.

 В результате чего в металле возникает электрический ток. Сила этого тока зависит от физических свойств магнита и катушки и скорости перемещения одного относительно другого.

При помещении металлической катушки в магнитное поле заряженные частицы металлический решетки (в кашутке) поворачиваются на определенный угол и размещаются вдоль силовых линий магнитного поля.

Чем выше сила магнитного поля, тем больше количество частиц поворачиваются и тем более однородным будет являться их расположение.

Магнитные поля, ориентированные в одном направлении не нейтрализуют друг друга, а складываются, формируя единое поле.

Формула магнитной индукции

где, В — вектор магнитной индукции, F — максимальная сила действующая на проводник с током, I — сила тока в проводнике, l — длина проводника.

Магнитный поток

Магнитный поток это скалярная величина, которая характеризует действие магнитной индукции на некий металлический контур. 

Магнитная индукция определяется числом силовых линий, проходящих через 1 см2 сечения металла. 

Магнитометры, используемые для ее измерения, называют теслометрами.

Единицей измерения магнитной индукции в системе СИ является Тесла (Тл).

После прекращения движение электронов в катушке сердечник, если он выполнен из мягкого железа, теряет магнитные качества. Если он изготовлен из стали, то он имеет способность некоторое время сохранять свои магнитные свойства.

pue8.ru

Магнитная индукция и магнитные поток

Напряженность магнитного поля не является основной величиной, характеризующей магнитное поле, хотя определение напряжённости действительно для расчёта катушек без магнитопровода.

Для катушки с магнитопроводом основной величиной характеризующей магнитное поле, является магнитная индукция В. Это векторная величина, т.е. она (как и напряженность) задаётся численным значением и направлением в пространстве. Магнитная индукция определяется по силе, действующей на движущуюся заряженную частицу. При изображении картины магнитного поля при помощи магнитных линий, их рисуют гуще в той части поля, где больше индукция.

Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл). Ранее применялась другая единица измерения магнитной индукции – гаусс (Гс).

Эти единицы связаны соотношением: 1Тл = 10000Гс.

Произведение магнитной индукции В на площадь S, перпендикулярную вектору магнитной индукции (магнитным линиям), называется магнитным потоком Ф. Таким образом магнитный поток:

Ф = B*S

Единицей измерения магнитного потока является вебер (Вб). При одной и той же напряжённости магнитного поля Н, в разных материалах получаются различные магнитные индукции В. Отношение В/Н называется абсолютной магнитной проницаемостью материала μ_а, т.е.

Абсолютная магнитная проницаемость материала μ_а равна произведению магнитной постоянной (магнитной проницаемости вакуума) μ₀ и относительной магнитной проницаемости μ_r:

раоорропор

Магнитная постоянная

Гн/м (генри на метр, генри единица измерения индуктивности).

Величина μ_rпоказывает, во сколько раз μ_а материала больше, чем магнитная постоянная μ₀.

В материале, магнитная проницаемость которого равна μ

r,

а в вакууме (практически и в воздухе)

где В выражается в теслах, а Н в А/м.

При измерении магнитной индукции в гауссах, а напряжённости магнитного поля в А/см, для магнитной индукции в воздухе получим:

У ферромагнитных материалов относительная магнитная проницаемость μ_r во много раз больше 1, она изменяется с изменением индукции В. Зависимость между В и Н для ферромагнитных материалов чаще изображается графиком в виде кривых намагничивания.

В практических задачах (магнитные цепи электрических машин и аппаратов) для расчёта силы тяги, ЭДС, силы притяжения и т.д. требуется определить магнитный поток Ф или индукцию В. Значение этих величин определяют по кривым намагничивания, если известна напряженность магнитного поля Н, которая, в свою очередь, задаётся магнитным напряжением или МДС.

Величина	Обозначение	Единица величины	Обозначение единицы	Расчётная формула
Напряженность магнитного поля а. в магнитном материале	Н	Ампер на метр	А/м	Н=Iw/l
б. в вакууме (воздухе)
Магнитная сила	F	Ампер		F=wI
Магнитная индукция	В	Тесла (Вебер на 1 м2)	Тл (Вб/м2)
Магнитный поток	Ф	Вебер	Вб	Ф = ВS
Абсолютная магнитная проницаемость		Генри на метр	Гн/м

Задача 1.

Напряжённость магнитного поля катушки

H = 500 А/м. Какова будет магнитная индукция, если в катушку вставить магнитопровод из трансформаторной стали (на рис.), относительная магнитная проницаемость которой μ_r= 2400.

Решение

B = μ_а*Н = μ_о*μ_r*Н = 4*π*10^-7*2400*500 = 1.5 Тл

Задача 2.

Для трансформаторной стали, содержащей 4% Si, магнитная индукция В при напряжённости магнитного поля катушки 500 А/м равна 1.19 Тл (см. кривые намагничивания на рис.). Определить абсолютную магнитную проницаемость трансформаторной стали в рабочей точке μ

а и относительную магнитную проницаемость μ_r. Напомним, что величина μ_r показывает во сколько раз μ_а материала больше, чем магнитная проницаемость

μ_о = 4*π*10^-7.

Решение

Абсолютная магнитная проницаемость

μ_а = В/Н = 1.19/500

μ_а = μ_r*μ_о = 4*π*10^-7*μ_r.

Отсюда

μ_r = μ_а/μ_о = В/Н =1.19/(500*4*π*10^-7) = 1893.9

Задача 3.

По заданным экспериментальным зависимостям В и Н для различных материалов определить коэффициенты полиномов второго порядка, наилучшим способом (по минимуму суммы квадратов ошибок) обеспечивающих аналитическое их описание (математическую модель).

Листовая сталь

Н (А/м)	100	150	200	250	300	350	400	450	500	550
В (Тл)	0.60	0.75	0.86	0.96	1.05	1.12	1.19	1.23	1.30	1.36

Трансформаторная сталь (4% Si)

Н (А/м)	100	200	300	400	500	600
В (Тл)	0.48	0.78	0.96	1.08	1.19	1.27

Литая сталь

Н (А/м)	100	200	300	400	500	600
В (Тл)	0.35	0.60	0.85	1.00	1.10	1.16

Решение

Для оценки коэффициентов полинома

В = a*Н² + b*Н + С

Запишем вектор

Н = [100 150 200 250 300 350 400 450 500 550]’. size A = 10,1

Затем составим матрицу А:

А = [Н^2 Н ones(V(1),1)]

И образуем вектор В:

B = [0.6 0.75 0.86 0.96 1.05 1.12 1.19 1.23 1.3 1.36]’.

Выполним оценку коэффициентов

а х = А\В

С помощью файла sah575.m. В нём выполнены оценки коэффициентов квадратного полинома для листовой стали

а1 = [-0.0206 0.2952 0.3429],

для трансформаторной стали

а2 = [-0.0246 0.3239 0.2000]

и для листовой стали

а3 = [-0.0277 0.2566 0.0150].

Необходимо выполнить расчёты для каждого вида материала в режиме прямых вычислений.

/здесь приводится файл sah 375.m/

Задача 4.

Каков будет магнитный поток Ф в магнитопроводе (см. задачу 1.), если сечение магнитопровода S = 4 см²?

Решение

Магнитный поток, измеряемый в веберах (Вб), равен

Ф = В*S = 1.5*4*10^-4 = 0.0006 Вб

(Тл = Вб/м²)

Задача 5.

Число витков катушки w=500. В магнитопроводе из трансформаторной стали длиной l=25 см необходимо обеспечить магнитную индукцию В=1.19 Тл. Какая м.д.с. и ток необходим для этого?

Решение

По кривой намагничивания трансформаторной стали (см. рис.) находим, что для создания В = 1.19 Тл требуется создать напряжённость магнитного поля Н = 500 А/м. При длине магнитопровода (с катушкой) l = 25 см = 0.25 м необходимая м.д.с. вычисляется по формуле

I*w = H*l = 500 А/м * 0.25 м = 125 А,

Отсюда I = I*w/w = 125/500 = 0.25 А

Задача 6.

Каковы напряжённость, индукция и магнитный поток внутри цилиндрической катушки (рис.) которая имеет длину 20 см, диаметр 3см, число витков 1600 и ток 3 А?

Решение

Напряжённость магнитного поля

Н = I*w/l = 3*1600/0.2 = 24000 А/м

Поскольку катушка без сердечника, то магнитную индукцию следует вычислять по формуле:

В = μ_о*Н = 4*π*10^-7*2.4*10⁴ = 3.02*10^-2 Тл

Сечение катушки

S = π*d²/4 = 3.14*0.03²/4 = 7.06*10^-4 м².

Следовательно, магнитный поток

Ф = В*S = 3.02*10^-2*7.06*10^-4 = 21.3*10^-6 Вб

Дополнение

Задача 1

Какое количество электричества пройдёт через лампу за 3 часа при токе 0,18А?

Решение:

Задача 2

Свинцовый аккумулятор ёмкостью 14А*ч заряжается током I зар = 1.4А. Как долго он должен заряжаться и через сколько времени он разрядится через лампы током Iраз = 0.3А?

Решение:

Зарядка: t = Q/Iзар = 14А*ч/1.4А = 10ч,

т.е. аккумулятор должен заряжаться 10ч

Разрядка: t = Q/Iраз = 14А*ч/0.3А = 47ч,

т.е. лампы горели 47ч. Через лампы прошёл ток 14А*ч, пока аккумулятор не разрядился.

Задача 3

Заряженный аккумулятор имеет ёмкость 28А*ч. 1) Какое количество электричества в кулонах содержит аккумулятор? 2) Какой ток необходим для зарядки аккумулятора за 10ч. Каким током разрядится он за 140ч.?

Решение.

1. 1А*ч = 360 А*с = 3600Кл

28А*ч = 28*3600Кл = 100800 Кл.

2. Iзар = Q/t = 28А*ч/10ч = 2.8А, т.е. аккумулятор зарядится за 10часов током 2.8А

3. Iраз = Q/t = 28А*ч/140ч = 0.2А.

Задача 4

Сколько ампер-часов содержтся в 96480 кулонах (заряд Фарадея)?

1А*ч = 3600А*с = 3600Кл;

96480/3600 = 26.8 А*ч, т.е. 96489 Кл. эквивалентен 26,8 А*ч

Задачи для самостоятельного решения:

1. Какой электрический заряд нужен от гальванического элемента, если он разряжается током 0,05А в течении 12ч.? (0,6 А*ч)

2. Через электродвигатель при токе I проходит количество электричества Q = 7500А*с за время t = 5мин/ Чему равен ток? (30мА)

3. Какой ток протекал по проводнику, если через его поперечное сечение за 30мин прошел заряд 54А*с? (30мА)

4. Через аппарат проходит ток I = 20мА в течение 9мин. Определить количество электричества, которое прошло через аппарат?

5. Аккумулятор ёмкостью 10А*ч заряжается током 4А. Как долго должен заряжаться? (10ч)

Задача 1.

Через медный проводник с площадью поперечного сечения S = 4 мм²

протекает ток I=10А. Какова плотность тока?

Решение:

Плотность тока

J = I/S = 10A/4мм² = 2.5 A/мм²

По площади 1 мм² поперечного сечения протекает ток I = 2.5A;

По всему поперечному сечению S проходит общий ток I = 10А.

По таблице проверить, допустима ли плотность тока 2.5 А/мм²?

Задача 2.

По шине разделительного устройства площадью прямоугольного поперечного сечения (20х80)мм проходит ток I = 1000A. Какова плотность тока в шине?

Решение

Площадь поперечного сечения шины S = 20х80 = 1600 мм². Плотность тока

J = I/S = 1000A/1600 мм² = 0.625A/мм²

Задача 3.

У катушки провод имеет круглое сечение диаметром 0,8мм и допускает плотность тока 2,5А/мм². Какой допустимый ток может проходить по проводу (нагрев не должен превышать допустимый)?

Решение:

Площадь поперечного сечения провода:

Допустимый ток:

Задача 4.

Допустимая плотность тока для обмотки трансформатора J = 2.5 А/мм²

Через обмотку проходит ток I = 4A. Каким должно быть поперечное сечение круглого проводника, чтобы обмотка не перегревалась?

Решение:

Площадь поперечного сечения

S=I/J=

Этому сечению соответствует диаметр провода 1.42мм.

Задача 5.

По изолированному медному проводу сечением 4 мм² проходит максимально допустимый ток 38А (см таблицу). Какая допустимая плотность тока? Чему равны допустимые плотности токов для медных проводов с площадями поперечного сечения 1, 10, 16 мм²?

Решение.

1. Допустимая плотность тока

2. Для сечения 1 мм² допустимая плотность тока (см табл)

3. Для сечения 10 мм² допустимая плотность тока

4. Для сечения 16 мм² допустимая плотность тока

Допустимая плотность тока с увеличением сечения кабеля тоже действительна для проводов с изоляцией класса В.

Задачи для самостоятельного решения.

1. Через обмотку трансформатора должен протекать ток I = 4A. Каким должно быть сечение обмоточного провода при допустимой плотности тока J = 2.5 А/мм² (S = 1.6 мм²)

2. По проводу диаметром 0,3 мм проходит ток 100А. Какова плотность тока (J = 1.415 А/мм²)

3. По обмотке электромагнита из медного изолированного провода диаметром d = 2.26мм (без учёта изоляции) проходит ток 10А. Какова плотность тока? (J= 2.5 А/мм²)

studfiles.net

Магнитная индукция, единицы измерения — Справочник химика 21

    В системе МКС напряженность магнитного поля В (в литературе по физике обычно называемая магнитной индукцией) традиционно выражалась в Н/(А-м) или в Вб/м . В последние годы единица Вб/м была переименована в теслу (Тл). В гауссовой системе (системе СГС) единицей магнитной индукции является гаусс (Гс). В литературе по гео- и биомагнетизму часто встречается единица, называемая эрстед (Э) и представляющая собой единицу измерения напряженности магнитного поля в системе СГС (ее не следует путать с горизонтальной составляющей Я геомагнитного поля), которая в системе МКС эквивалентна А/м. Однако для всех практических приложений эрстед и гаусс численно равны. При измерениях очень слабых магнитных полей используются нанотесла (нТл) в системе МКС и гамма (у) в СГС. Эти единицы магнитной индукции связаны между собой следующими соотно- [c.70]
    Единица измерения магнитной индукции — тесла [c.329]

    Электрический ток, проходя по катушке, создает магнитное поле. Величина его характеризуется силой, с которой поле воздействует на другое магнитное поле (например, на проводник длиной 1 м, по которому проходит ток силой 1 А). Численную величину этой силы принято условно обозначать количеством магнитных силовых линий, проходящих через площадь сечения катушки и называемую потоком магнитной индукции, или магнитным потоком (обозначается Ф, единица измерения — Вебер). Магнитный поток, проходящий через единицу поверхности (плотность потока), называется магнитной индук- [c.101]

    Др. важные параметры М.м. I. Остаточная намагниченность М, [или остаточная магн. индукция единица измерения — тесла (Тл)] количественно оценивается величиной намагниченности, сохраняющейся в образце после того, как он был намагничен внеш. магн. полем до насьпцения, а затем напряженность поля сведена до нуля. Величина М, (Д,) существенно зависит от формы образца, его кристаллич. структуры, т-ры, мех. воздействий (удары, сотрясения и т.п.) и др. факторов. 2. Коэрцитивная сила Н измеряется в А/м количественно определяется как напряженность поля, необходимая для изменения намагниченности тела от значения М, до нуля. Зависит от магнитной, кристаллографич. и др. видов анизотропии в-ва, наличия дефектов, способа изготовления образца и его обработки, а также внеш. условий, напр. т-ры. 3. Относит, магн. проницаемость ц характеризует изменение магн. индукции В среды при воздействии поля Я связана с магнитной восприимчивостью % соотношением ц = 1 -Н X (в СИ). В ферромагнетиках и ферритах ц сложным образом зависит от Я для описания этой зависимости вводят понятия дифференциальной (Цд ), начальной (ц ) и максимальной (Цмакс) проницаемостей. 4. Макс. уд. магн. энергия (в Дж/м ) или пропорциональная ей величина (ВН) , на участке размагничивания петли гистерезиса. 5. Намагниченность насыщения М, (или магн. индукция насыщения В ). 6. Кюри точка 7. Уд. электрич. сопротивление р (в Ом м). В ряде случаев существенны и др. параметры, напр температурные коэф. остаточной индукции и коэрцитивной силы, характеристики временной стабильности осн. параметров. [c.624]

    При этом сила направлена перпендикулярно плоскости, в которой находятся проводник и вектор индукции, в соответствии с известным из физики правилом левой руки (если расположить левую руку так, чтобы магнитное поле входило в ладонь, а пальцы направить вдоль направления тока, то отогнутый большой палец укажет направление силы). Единица измерения магнитной индукции в системе единиц СИ — тесла (Тл). [c.87]

    В СИ единицей измерения напряженности магнитного поля служит А/м, а магнитная индукция измеряется в В-с/м и единица ее называется тесла (Т). [c.52]

    Эту величину называют магнитной индукцией. Единицей ее измерения в системе СИ является Тесла (Тл= ), в системе GS — Гаусс (Гс). [c.255]

    Единица измерения магнитного потока в системе СИ — Вебер (Вб=В с). В соответствии с выражением (7.2″) магнитную индукцию В часто называют плотностью магнитного потока. [c.255]

    Автор выражается неточно. В гауссах измеряется не напряженность поля Я, а индукция В=(хЯ ( а—магнитная проницаемость), которая в вакууме, т. е. при -=1, численно равна Я. Единицей же измерения напряженности магнитного поля служит эрстед. Прим. перев.) [c.582]

    Индукция магнитного поля измеряется в единицах тесла (Т) либо в соответствии с соотношением V = уВ пересчитывается в единицы частоты и измеряется в герцах. (Ее численное значение не имеет ничего обшего с частотой радиоизлучения, накладываемого на образец во время измерения.) В качестве эталонного вещества почти во всех случаях используется тетра-метилсилаи (ТМС) условно ему приписывается нулевой химический сдвиг. Если сигнал протона в исследуемом веществе обнаруживается при более низком значении В, сдвиг б считается [c.359]

---

www.chem21.info

гаусс [Гс] тесла [Тл] • Магнитостатика, магнетизм и электродинамика • Конвертер магнитной индукции • Компактный калькулятор

Конвертер длины и расстоянияКонвертер массыКонвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питанияКонвертер площадиКонвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептахКонвертер температурыКонвертер давления, механического напряжения, модуля ЮнгаКонвертер энергии и работыКонвертер мощностиКонвертер силыКонвертер времениКонвертер линейной скоростиПлоский уголКонвертер тепловой эффективности и топливной экономичностиКонвертер чисел в различных системах счисленияКонвертер единиц измерения количества информацииКурсы валютРазмеры женской одежды и обувиРазмеры мужской одежды и обувиКонвертер угловой скорости и частоты вращенияКонвертер ускоренияКонвертер углового ускоренияКонвертер плотностиКонвертер удельного объемаКонвертер момента инерцииКонвертер момента силыКонвертер вращающего моментаКонвертер удельной теплоты сгорания (по массе)Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему)Конвертер разности температурКонвертер коэффициента теплового расширенияКонвертер термического сопротивленияКонвертер удельной теплопроводностиКонвертер удельной теплоёмкостиКонвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излученияКонвертер плотности теплового потокаКонвертер коэффициента теплоотдачиКонвертер объёмного расходаКонвертер массового расходаКонвертер молярного расходаКонвертер плотности потока массыКонвертер молярной концентрацииКонвертер массовой концентрации в раствореКонвертер динамической (абсолютной) вязкостиКонвертер кинематической вязкостиКонвертер поверхностного натяженияКонвертер паропроницаемостиКонвертер паропроницаемости и скорости переноса параКонвертер уровня звукаКонвертер чувствительности микрофоновКонвертер уровня звукового давления (SPL)Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давленияКонвертер яркостиКонвертер силы светаКонвертер освещённостиКонвертер разрешения в компьютерной графикеКонвертер частоты и длины волныОптическая сила в диоптриях и фокусное расстояниеОптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×)Конвертер электрического зарядаКонвертер линейной плотности зарядаКонвертер поверхностной плотности зарядаКонвертер объемной плотности зарядаКонвертер электрического токаКонвертер линейной плотности токаКонвертер поверхностной плотности токаКонвертер напряжённости электрического поляКонвертер электростатического потенциала и напряженияКонвертер электрического сопротивленияКонвертер удельного электрического сопротивленияКонвертер электрической проводимостиКонвертер удельной электрической проводимостиЭлектрическая емкостьКонвертер индуктивностиКонвертер Американского калибра проводовУровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицахКонвертер магнитодвижущей силыКонвертер напряженности магнитного поляКонвертер магнитного потокаКонвертер магнитной индукцииРадиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излученияРадиоактивность. Конвертер радиоактивного распадаРадиация. Конвертер экспозиционной дозыРадиация. Конвертер поглощённой дозыКонвертер десятичных приставокПередача данныхКонвертер единиц типографики и обработки изображенийКонвертер единиц измерения объема лесоматериаловВычисление молярной массыПериодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Обмотка, якорь, ярмо и контакты электромеханического реле

Общие сведения

Удивительным образом идеи одного человека могут повлиять на последующее развитие человеческого общества в целом. Таким человеком был Майкл Фарадей, не слишком разбирающийся в хитросплетениях современной ему математики, но прекрасно понимающий физический смысл известных к тому времени сведений о природе электричества и магнетизма благодаря выдвинутой им концепции полевых взаимодействий.

Слева направо: Андре-Мари Ампер, Карл Фридрих Гаусс, Хендрик Антон Лоренц, Ханс Кристиан Э́рстед, Ипполит Пикси; источник: Wikimedia.org

Существованию современного общества, основанного на использовании электричества, магнетизма и электродинамики, мы обязаны целой плеяде замечательных учёных. Среди них надо отметить Ампера, Эрстеда, Генри, Гаусса, Вебера, Лоренца и, безусловно, Максвелла. В конечном итоге они свели науку об электричестве и магнетизме в единую картину, которая послужила основой целой когорте изобретателей, создавших своими творениями предпосылки для появления современного информационного общества.

В аккумуляторных дрелях обычно используется универсальный двигатель, который может работать как на постоянном, так и на переменном токе

Мы живём в окружении электродвигателей и генераторов: они наши первые помощники на производстве, на транспорте и в быту. Любой уважающий себя человек не мыслит существования без холодильника, пылесоса и стиральной машины. В приоритете также микроволновая печь, фен, кофемолка, миксер, блендер и — предел мечтаний — электромясорубка и хлебопечка. Безусловно, кондиционер тоже страшно полезная штука, но если нет средств для его приобретения, то сойдёт и простой вентилятор.

У некоторых мужчин запросы несколько скромнее: пределом мечтаний самого неумелого мужчины является электродрель. Некоторые из нас, безуспешно пытаясь завести автомобиль в сорокаградусный мороз и безнадежно терзая стартер (тоже электродвигатель), втайне мечтают о приобретении машины производства Tesla Motors на электродвигателях и аккумуляторах, чтобы забыть навсегда о проблемах бензиновых и дизельных моторов.

Электродвигатели повсюду: они поднимают нас в лифте, они перевозят нас в метро, электричках, трамваях, троллейбусах и скоростных поездах. Они доставляют нам воду на этажи небоскрёбов, приводят в действие фонтаны, откачивают воду из шахт и колодцев, прокатывают сталь, поднимают тяжести, работая в различных кранах. И делают очень много других полезных дел, приводя в движение станки, инструменты и механизмы.

Даже экзоскелеты для людей с ограниченными возможностями и для военных выполнены с использованием электродвигателей, не говоря уже о целой армии промышленных и исследовательских роботов.

Сегодня электродвигатели трудятся в космосе — достаточно вспомнить марсоход Curiosity. Они трудятся на земле, под землёй, на воде, под водой и даже в воздухе — не сегодня, так завтра (статья написана в ноябре 2015 г.) самолёт Solar Impulse 2 наконец-то закончит своё кругосветное путешествие, а беспилотным летательным аппаратам на электродвигателях уж просто несть числа. Недаром вполне серьёзные корпорации сейчас трудятся над сервисами доставки почтовых отправлений с помощью беспилотных летательных аппаратов.

Историческая справка

Этот дизель-генератор мощностью 12,5 кВт из экспозиции Военного музея связи и электроники в г. Кингстоне, Онтарио, использовался на радиостанциях при освоении канадского севера

Построенная в 1800 году итальянским физиком Алессандро Вольта химическая батарея, названная впоследствии по имени изобретателя «вольтов столб», воистину оказалась «рогом изобилия» для учёных. Она позволяла приводить в движение электрические заряды в проводниках, то есть создавать электрический ток. Новые открытия с использованием вольтова столба непрерывно следовали одно за другим в различных областях физики и химии.

Например, английский учёный сэр Гемфри Дэви в 1807 году, изучая электролиз расплавов гидроксидов натрия и калия, получил металлический натрий и калий. Ранее, в 1801году, он же открыл электрическую дугу, хотя русские считают её первооткрывателем Василия Владимировича Петрова. Петров в 1802 году описал не только саму дугу, но и возможности её практического применения для целей плавки, сварки металлов и восстановления их из руд, а также освещения.

Слева направо: Майкл Фарадей, Вильгельм Эдуард Вебер, Петер Барлоу, Джозеф Генри, Джеймс Кларк Максвелл

Но самое важное открытие совершил датский физик Ханс Кристиан Эрстед: 21 апреля 1820 года во время демонстрации опытов на лекции он заметил отклонение стрелки магнитного компаса при включении и отключении электрического тока, протекающего через проводник в виде проволоки. Так впервые была подтверждена взаимосвязь между электричеством и магнетизмом.

Следующий шаг сделал французский физик Андре Мари Ампер несколько месяцев спустя после знакомства с опытом Эрстеда. Любопытен ход рассуждений этого учёного, изложенных в сообщениях, направленных им одно за другим во Французскую академию наук. Сначала, наблюдая поворот стрелки компаса у проводника с током, Ампер предположил, что магнетизм Земли тоже вызван токами, обтекающими Землю в направлении с запада на восток. Отсюда им был сделан вывод, что магнитные свойства тела могут быть объяснены циркуляцией внутри него тока. Далее Ампер довольно смело заключил, что магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него, а магнитное взаимодействие обусловлено не особыми магнитными зарядами, а просто движением электрических зарядов, т. е. током.

Ампер тут же занялся экспериментальным исследованием этого взаимодействия и установил, что проводники с током, текущим в одном направлении притягиваются, а в противоположном — отталкиваются. Взаимно перпендикулярные проводники не взаимодействуют друг с другом.

Трудно удержаться, чтобы не привести открытый Ампером закон в его собственной формулировке:

«Сила взаимодействия движущихся зарядов пропорциональна произведению этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, как и в законе Кулона, но, сверх того, ещё зависит от скоростей этих зарядов и направления их движения».

Очень простой электродвигатель из куска проволоки и сильного магнита, извлеченного из старого жесткого диска

Так в физике были открыты фундаментальные силы, зависящие от скоростей.

Но настоящим прорывом в науке об электричестве и магнетизме стало открытие Майклом Фарадеем явления электромагнитной индукции — возникновение электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Независимо от Фарадея явление электромагнитной индукции было также открыто Джозефом Генри в 1832 году, попутно открывшим явление самоиндукции.

Публичная демонстрация Фарадеем 29 августа 1831 года была выполнена на изобретённой им установке, состоящей из вольтова столба, выключателя, железного кольца, на котором были намотаны на противоположных сторонах две одинаковые катушки из медного провода. Одна из катушек через выключатель подключалась к батарее, к концам другой был подключён гальванометр. При включении и отключении тока гальванометр фиксировал появление тока разного направления во второй катушке.

В опытах Фарадея электрический ток, названный индукционным током, появлялся и при внесении магнита внутрь катушки или его выдвижения из катушки, нагруженной на измерительную цепь. Аналогично, ток появлялся и при внесении/выдвижении меньшей катушки с током внутрь/из большой катушки из предыдущего опыта. Причём направление индукционного тока менялось на противоположное при внесении/выдвижении магнита или малой катушки с током в соответствии с правилом, сформулированным русским учёным Эмилем Христиановичем Ленцем. в 1833 году.

На основании произведённых опытов Фарадей вывел закон для электродвижущей силы, впоследствии названный его именем.

Идеи и результаты экспериментов Фарадея были переосмыслены и обобщены другим великим соотечественником — гениальным английским физиком и математиком Джеймсом Клерком Максвеллом — в его четырёх дифференциальных уравнениях электродинамики, названных позднее уравнениями Максвелла.

Надо отметить, что в трёх из четырёх уравнений Максвелла фигурирует магнитная индукция в виде вектора магнитного поля.

Магнитная индукция. Определение

Биполярный шаговый двигатель состоит из ротора в форме постоянного магнита и статора, в котором находятся две обмотки с сердечниками, образующие электромагниты

Магнитная индукция — это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства. Она определяет, с какой силой F магнитное поле действует на заряд q, движущийся со скоростью v. Обозначается латинской буквой В (произносится как вектор Б) и сила рассчитывается по формуле:

F = q [v∙B]

где F —сила Лоренца, действующая со стороны магнитного поля на заряд q; v — скорость движения заряда; B — индукция магнитного поля; [v × B] — векторное произведение векторов v и B.

Алгебраически выражение может быть записано в виде:

F = q∙v∙B∙sin α

где α — угол между векторами скорости и магнитной индукции. Направление вектора F перпендикулярно им обоим и направлено по правилу левой руки.

Магнитная индукция является основной фундаментальной характеристикой магнитного поля, аналогичной вектору напряжённости электрического поля.

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

1 Тл = 10⁴ Гс

С другими величинами измерения магнитной индукции, применяемыми в различных приложениях, и их переводами из одной величины в другую, можно ознакомиться в конвертере физических величин.

Измерительные приборы для измерения величины магнитной индукции называются тесламетрами или гауссметрами.

Магнитная индукция поля. Физика явлений

В зависимости от реакции на внешнее магнитное поле, все вещества делятся на три группы:

Динамический громкоговоритель, используемый в системных блоках настольных компьютеров; звук создается за счет перемещения звуковой катушки с током в магнитном поле постоянного магнита; катушка соединена с диффузором, который преобразует ее колебания в звуковые колебания воздуха

• Диамагнетики
• Парамагнетики
• Ферромагнетики

Термины диамагнетизм и парамагнетизм были введены Фарадеем в 1845 году. Для количественной оценки этих реакций введено понятие магнитной проницаемости. В системе СИ введена абсолютная магнитная проницаемость, измеряемая в Гн/м, и относительная безразмерная магнитная проницаемость, равная отношению проницаемости данной среды к проницаемости вакуума. У диамагнетиков относительная магнитная проницаемость несколько меньше единицы, у парамагнетиков — несколько больше единицы. У ферромагнетиков магнитная проницаемость значительно больше единицы и носит нелинейный характер.

Явление диамагнетизма заключается в способности вещества противодействовать воздействию внешнего магнитного поля за счёт намагничивания против его направления. То есть, диамагнетики отталкиваются магнитным полем. При этом атомы, молекулы или ионы диамагнетика приобретают магнитный момент, направленный против внешнего поля.

Явление парамагнетизма заключается в способности вещества намагничиваться при воздействии внешнего магнитного поля. В отличие от диамагнетиков, парамагнетики втягиваются магнитным полем. При этом атомы, молекулы или ионы парамагнетика приобретают магнитный момент в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля. При снятии поля парамагнетики не сохраняют намагниченность.

Визуализация информации на карте с магнитной полосой с помощью магнитной пленки-визуализатора и магнитного тонера для лазерного принтера

Явление ферромагнетизма заключается в способности вещества спонтанно намагничиваться при отсутствии внешнего магнитного поля или намагничиваться под воздействием внешнего магнитного поля и сохранять намагниченность при снятии поля. При этом большинство магнитных моментов атомов, молекул или ионов параллельны друг другу. Такой порядок сохраняется до температур, ниже определённой критической, называемой точкой Кюри. При температурах выше точки Кюри для данного вещества, ферромагнетики превращаются в парамагнетики.

Магнитная проницаемость сверхпроводников равна нулю.

Абсолютная магнитная проницаемость воздуха приблизительно равна магнитной проницаемости вакуума и в технических расчётах принимается равной 4π• 10 ⁻⁷ Гн/м

Особенности поведения магнитного поля в диамагнетиках

Как указывалось выше, диамагнитные материалы создают индуцированное магнитное поле, направленное против внешнего магнитного поля. Диамагнетизм является квантово-механическим эффектом, присущим всем веществам. В парамагнетиках и ферромагнетиках он нивелируется за счёт иных, более сильных, эффектов.

Левитация пиролитического углерода в магнитном поле неодимовых магнитов

К диамагнетикам относятся, например, такие вещества, как инертные газы, азот, водород, кремний, фосфор и пиролитический углерод; некоторые металлы — висмут, цинк, медь, золото, серебро. Многие другие неорганические и органические соединения также являются диамагнетиками, в том числе и вода.

В неоднородном магнитном поле диамагнетики смещаются в область более слабого поля. Магнитные силовые линии как бы выталкиваются диамагнитными материалами за пределы тела. На этом свойстве построено явление диамагнитной левитации. В достаточно сильном магнитном поле, создаваемом современными магнитами, возможна левитация не только различных диамагнетиков, но и мелких живых существ, состоящих в основном из воды.

Магнит падает в алюминиевом желобе очень медленно в связи с тем, что в алюминии образуется тормозящее магнитное поле

Учёным из Университета Нимингена, Нидерланды, удался опыт по подвешиванию в воздухе лягушки в поле с магнитной индукцией порядка 16 Тл, а исследователям из лаборатории НАСА, использовавшим магнит на сверхпроводниках — левитация мыши, которая, как биологический объект, гораздо ближе к человеку, чем лягушка.

Все проводники проявляют диамагнетизм под действием переменного магнитного поля.

Суть явления состоит в том, что под действием переменного магнитного поля в проводниках индуцируются вихревые токи — токи Фуко — направленные против действия внешнего магнитного поля.

Особенности поведения магнитного поля в парамагнетиках

Колебания магнитного маятника полностью затухают после одного качка над алюминиевой поверхностью из-за тормозящего эффекта

Совершенно иным является взаимодействие магнитного поля с парамагнетиками. Поскольку атомы, молекулы или ионы парамагнетиков обладают собственным магнитным моментом, они выстраиваются в направлении внешнего магнитного поля. Тем самым создаётся результирующее магнитное поле, превышающее исходное поле.

К парамагнетикам относятся алюминий, платина, щелочные и щелочноземельные металлы литий, цезий, натрий, магний, вольфрам, а также сплавы этих металлов. Парамагнетиками также являются кислород, оксид азота, оксид марганца, хлорное железо и многие другие химические соединения.

Парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам, их магнитная проницаемость чуть больше единицы. В неоднородном магнитном поле парамагнетики втягиваются в область более сильного поля. В отсутствие магнитного поля парамагнетики не сохраняют намагниченность, поскольку из-за теплового движения собственные магнитные моменты их атомов, молекул или ионов направлены хаотично.

Особенности поведения магнитного поля в ферромагнетиках

Ферромагнитная жидкость в магнитном поле; ферромагнитная жидкость представляет собой коллоидную систему, состоящую из ферромагнитных или ферримагнитных частицы в органическом растворителе

Благодаря присущему им свойству самопроизвольно намагничиваться, ферромагнетики образуют природные магниты, которые известные человечеству с глубокой древности. Магнитам приписывались магические свойства, их использовали в различных религиозных ритуалах и даже при постройке зданий. Первый прообраз компаса, изобретённый китайцами во втором–первом веках до нашей эры, пытливые пращуры-первооткрыватели использовали для возведения домов согласно правилам фэн-шуй. Использование компаса как средства навигации началось уже в 11 веке для путешествий через пустыни по Великому Шёлковому пути. Позднее применение компаса в морском деле сыграло значительную роль в развитии мореплавания, открытия новых земель и освоения новых морских торговых путей.

Ферромагнитная жидкость

Ферромагнетизм является проявлением квантово-механических свойств электронов, обладающих спином, т.е. собственным дипольным магнитным моментом. Проще говоря, электроны ведут себя подобно крошечным магнитикам. На каждой заполненной электронной оболочке атома может находиться только парное число электронов с противоположными спинами, т.е. магнитное поле таких электронов направлено в противоположные стороны. Из-за этого у атомов, имеющих парное число электронов, общий магнитный момент равен нулю, поэтому ферромагнетиками являются только атомы с незаполненной внешней оболочкой, имеющие непарное число электронов.

К ферромагнетикам относятся металлы переходных групп (железо, медь, никель) и редкоземельные металлы (гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий и эрбий), а также сплавы этих металлов. Ферромагнетиками являются и сплавы вышеперечисленных элементов с неферромагнитными материалами; сплавы и соединения хрома и марганца с неферромагнитными элементами, а также некоторые из металлов группы актиноидов.

В накопителях на жестких магнитных дисках поверхность дисков покрыта тонким слоем ферромагнитного материала

Ферромагнетики имеют значение магнитной проницаемости намного больше единицы; зависимость их намагничивания под действием внешнего магнитного поля носит нелинейный характер и для них характерно проявление гистерезиса — если снять действие магнитного поля, ферромагнетики остаются намагниченными. Чтобы убрать эту остаточную намагниченность, необходимо приложить поле обратного направления.

График зависимости магнитной проницаемости μ от напряженности магнитного поля H в ферромагнетике, называемый кривой Столетова, показывает, что при нулевой напряженности магнитного поля H = 0 магнитная проницаемость имеет небольшое значение μ₀; затем, по мере роста напряженности, магнитная проницаемость быстро растет до максимума μ_max, затем медленно падает до нуля.

Пионером исследования свойств ферромагнетиков был русский физик и химик Александр Столетов. Ныне кривая зависимости магнитной проницаемости от напряжённости магнитного поля носит его имя.

Современные ферромагнитные материалы находят широкое применение в науке и технике: многие технологии и приборы основаны на их использовании и на использовании явления магнитной индукции. Например, в вычислительной технике: первые поколения ЭВМ имели память на ферритовых сердечниках, информация хранилась на магнитных лентах, гибких дискетах и жёстких дисках. Впрочем, последние используются в компьютерах до сих пор и выпускаются сотнями миллионов штук в год.

Применение магнитной индукции в электротехнике и электронике

Память на ферритовых сердечниках диаметром около 1 мм использовалась в компьютерах до середины семидесятых годов прошлого века; одно кольцо использовалось для запоминания одного бита информации; объем этой части матрицы памяти размером около 8×8 см — 1024 (32×32) ферритовых кольца, в которых может храниться 1024 бита, или 1 Кбит информации

В современном мире существует множество примеров использования магнитной индукции поля, в первую очередь в силовой электротехнике: в генераторах электричества, трансформаторах напряжения, в разнообразных электромагнитных приводах различных устройств, инструментов и механизмов, в измерительной технике и в науке, в различных физических установках для проведения экспериментов, а также в средствах электрической защиты и аварийного отключения.

Электродвигатели, генераторы и трансформаторы

Английским физиком и математиком Питером Барлоу в 1824 году был описан изобретённый им униполярный двигатель, ставший прообразом современных электродвигателей постоянного тока. Изобретение ценно также тем, что было сделано задолго до открытия явления электромагнитной индукции.

Ныне практически во всех электродвигателях используется сила Ампера, которая действует на контур с током в магнитном поле, заставляя его двигаться.

Ещё Фарадеем для демонстрации явления магнитной индукции в 1831 году была создана экспериментальная установка, важной частью которой было устройство, ныне известное как тороидальный трансформатор. Принцип действия трансформатора Фарадея и сейчас используется во всех современных трансформаторах напряжения и тока вне зависимости от мощности, конструкции и сферы применения.

Мощные электродвигатели насосной станции в Торонто, Онтарио

Помимо этого Фарадей научно обосновал и доказал экспериментально возможность преобразования механического движения в электричество с помощью изобретённого им униполярного генератора постоянного тока, ставшего прототипом всех генераторов постоянного тока.

Этот мотор-генератор из экспозиции Канадского музея науки и техники в Оттаве использовался на электростанции в Ниагара-Фоллз, шт. Нью-Йорк

Первый генератор переменного тока был создан французским изобретателем Ипполитом Пикси в 1832 году. Позднее, по предложению Ампера, он был дополнен коммутационным устройством, которое позволяло получать пульсирующий постоянный ток.

В основе практически всех генераторов электроэнергии, использующих принцип магнитной индукции, лежит возникновение электродвижущей силы в замкнутом контуре, который находится в изменяющемся магнитном поле. При этом либо магнитный ротор вращается относительно неподвижных катушек статора в генераторах переменного тока, либо обмотки ротора вращаются относительно неподвижных магнитов статора (ярма) в генераторах постоянного тока.

Самый мощный генератор в мире, построенный в 2013 году для АЭС «Тайшань» китайской компанией DongFang Electric, может вырабатывать мощность 1750 МВт.

Помимо генераторов и электродвигателей традиционного типа, связанных с преобразованием механической энергии в электрическую энергию и обратно, существуют так называемые магнитогидродинамические генераторы и двигатели, работающие на ином принципе.

Реле и электромагниты

При подаче напряжения на обмотку реле его якорь притягивается к сердечнику и контакты замыкаются (2)

Изобретённый американским учёным Дж. Генри электромагнит стал первым исполнительным механизмом на электричестве и предшественником всем знакомого электрического звонка. Позднее на его основе Генри создал электромагнитное реле, которое стало первым автоматическим коммутационным устройством, имеющим бинарное состояние.

Работа реле

Это реле Морзе из экспозиции Военного музея связи и электроники в Кингстоне, Онтарио, использовалось в ранних телеграфных станциях, где сигналы воспринимались на слух и записывались телеграфистом на бумагу

Слаботочное реле Генри стало также предпосылкой создания телеграфа, использовавшего простую в технической реализации кодировку Морзе: для передачи точки применялось короткое замыкание контактов ключа на передающей стороне, а для передачи тире — более длительное замыкание. Реле на приёмной стороне под действием протекающего тока, в свою очередь, замыкало контакты более мощного электромагнита, который опускал графитовый стержень на движущуюся бумажную ленту, записывая таким образом передаваемый сигнал. Подъём грифеля над лентой осуществлялся автоматически за счёт механической пружины. В более ранних конструкциях ленты не было и сигналы воспринимались на слух и записывались на бумагу вручную.

Динамический микрофон Shure, используемый в видеостудии TranslatorsCafe.com

При передаче телеграфного сигнала на большие расстояния реле использовались в качестве усилителей постоянного тока, коммутируя подключение внешних батарей промежуточных станций для дальнейшей передачи сигнала.

Динамические головки и микрофоны

В современной аудиотехнике широко применяются электромагнитные динамики, звук в которых появляется из-за взаимодействия подвижной катушки, прикрепленной к диффузору, через которую протекает ток звуковой частоты, с магнитным полем в зазоре неподвижного постоянного магнита. В результате катушка вместе с диффузором движутся и создают звуковые волны.

В динамических микрофонах используется та же конструкция, что и в динамической головке, однако в микрофоне, наоборот, колеблющаяся под воздействием акустического сигнала подвижная катушка с мини-диффузором в зазоре неподвижного постоянного магнита генерирует электрический сигнал звуковой частоты.

Измерительные приборы и датчики

Несмотря на обилие современных цифровых измерительных приборов, в технике измерений до сих пор используются приборы магнитоэлектрического, электромагнитного, электродинамического, ферродинамического и индукционного типов.

Во всех системах вышеперечисленных типов используется принцип взаимодействия магнитных полей либо постоянного магнита с полем катушки с током, либо ферромагнитного сердечника с полями катушек с током, либо магнитных полей катушек с током.

За счёт относительной инерционности таких систем измерений, они применимы для измерений средних значений переменных величин.

Автор статьи: Сергей Акишкин

Unit Converter articles were edited and illustrated by Анатолий Золотков

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

www.translatorscafe.com

Магнитная индукция

2

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ — существует вокруг электрического заряда, материально. Основное свойство электрического поля: действие с силой на эл.заряд, внесенный в него. Электростатическое поле— поле неподвижного эл.заряда, не меняется со временем. Напряженность электрического поля. — количественная характеристика эл. поля. — это отношение силы, с которой поле действует на внесенный точечный заряд к величине этого заряда. — не зависит от величины внесенного заряда, а характеризует электрическое поле!

Направление вектора напряженности  совпадает с направлением вектора силы, действующей на положительный заряд, и противоположно направлению силы, действующий на отрицательный заряд.

Напряженность поля точечного заряда:

где q0 — заряд, создающий электрическое поле. В любой точке поля напряженность направлена всегда вдоль прямой, соединяющей эту точку и q0.

3

ПРИНЦИП СУПЕРПОЗИЦИИ ( НАЛОЖЕНИЯ ) ПОЛЕЙ

Если в данной точке пространства различные электрически заряженные частицы 1, 2, 3… и т.д. создают электрические поля с напряженностью Е1, Е2, Е3 … и т.д., то результирующая напряженность в данной точке поля равна геометрической сумме напряженностей.

Силовые линии эл. поля — непрерывные линии, касательными к которым являются векторы напряженности эл.поля в этих точках. Однородное эл.поле — напряженность поля одинакова во всех точках этого поля. Свойства силовых линий: не замкнуты (идут от + заряда к _ ), непрерывны, не пересекаются, их густота говорит о напряженности поля (чем гуще линии, тем больше напряженность).

Графически надо уметь показать эл.поля: точечного заряда, двух точечных зарядов, обкладок конденсатора ( в учебнике есть).

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ заряженного шара.

Есть заряженный проводящий шар радиусом R.

— заряд равномерно рапределен лишь по поверхности шара!  Напряженность эл. поля снаружи:

Напряженность внутри шара:  Е = 0

12

ЭЛЕКТРОЕМКОСТЬ — характеризует способность двух проводников накапливать электрический заряд.  — не зависит от q и U. — зависит от геометрических размеров проводников, их формы, взаимного расположения, электрических свойств среды между проводниками.

Единицы измерения в СИ: ( Ф — фарад )

КОНДЕНСАТОРЫ

— электротехническое устройство, накапливающее заряд ( два проводника, разделенных слоем диэлектрика ).

где d много меньше размеров проводника. Обозначение на электрических схемах:

Все электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора. Заряд конденсатора — это абсолютное значение заряда одной из обкладок конденсатора.

Виды конденсаторов: 1. по виду диэлектрика: воздушные, слюдяные, керамические, электролитические 2. по форме обкладок: плоские, сферические. 3. по величине емкости: постоянные, переменные (подстроечные).

Электроемкость плоского конденсатора

где S — площадь пластины (обкладки) конденсатора d — расстояние между пластинами eо — электрическая постоянная e — диэлектрическая проницаемость диэлектрика

Включение конденсаторов в электрическую цепь

параллельное

последовательное

Тогда общая электроемкость (С):

при параллельном включении

.при последовательном включении

ЭНЕРГИЯ ЗАРЯЖЕННОГО КОНДЕНСАТОРА

Конденсатор — это система заряженных тел и обладает энергией. Энергия любого конденсатора:

где С — емкость конденсатора q — заряд конденсатора U — напряжение на обкладках конденсатора Энергия конденсатора равна работе, которую совершит электрическое поле при сближении пластин конденсатора вплотную, или равна работе по разделению положительных и отрицательных зарядов , необходимой при зарядке конденсатора.

ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ КОНДЕНСАТОРА

Энергия конденсатора приблизительно равна квадрату напряженности эл. поля внутри конденсатора. Плотность энергии эл. поля конденсатора:

14

Электри́ческий ток — направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц^[1][2][3]. Такими частицами могут являться: в металлах —электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах — ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях — электроны, вполупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость). Иногда электрическим током называют также ток смещения, возникающий в результате изменения во времени электрического поля^].

Сила тока — физическая величина , равная отношению количества заряда , прошедшего через некоторую поверхность за время , к величине этого промежутка времени^[1]:

В качестве рассматриваемой поверхности часто используется поперечное сечение проводника.

Сила тока в Международной системе единиц (СИ) измеряется в амперах (русское обозначение: А; международное: A), ампер является одной из семиосновных единиц СИ. 1 А = 1 Кл/с.

По закону Ома сила тока для участка цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению к участку цепи и обратно пропорциональнасопротивлению проводника этого участка цепи:

Носителями заряда, движение которых, приводит к возникновению тока, являются заряженные частицы, в роли которых обычно выступаютэлектроны, ионы или дырки. Сила тока зависит от заряда этих частиц, их концентрации , средней скорости упорядоченного движения частиц , а также площади и формы поверхности, через которую течёт ток.

Если и постоянны по объёму проводника, а интересующая поверхность плоская, то выражение для силы тока можно представить в виде

где  — угол между скоростью частиц и вектором нормали к поверхности.

В более общем случае, когда сформулированные выше ограничения не выполняются, аналогичное выражение можно записать только для силы тока , протекающего через малый элемент поверхности площадью :

Тогда выражение для силы тока, протекающего через всю поверхность, записывается в виде интеграла по поверхности

В металлах заряд переносят электроны, соответственно в этом случае выражение для силы тока имеет вид

где e — элементарный электрический заряд.

Вектор называют плотностью электрического тока. Как следует из сказанного выше, его величина равна силе тока, протекающей через малый элемент поверхности единичной площади, расположенный перпендикулярно скорости , а направление совпадает с направлением упорядоченного движения заряженных частиц^[2].

Для измерения силы тока используют специальный прибор — амперметр (для приборов, предназначенных для измерения малых токов, также используются названия миллиамперметр, микроамперметр, гальванометр). Его включают в разрыв цепи в том месте, где нужно измерить силу тока. Основные методы измерения силы тока: магнитоэлектрический, электромагнитный и косвенный (путём измерения вольтметром напряжения на известном сопротивлении).

В случае переменного тока различают мгновенную силу тока, амплитудную (пиковую) силу тока и эффективную силу тока (равную силе постоянного тока, который выделяет такую же мощность).

Пло́тность то́ка — векторная физическая величина, имеющая смысл силы тока, протекающего через элемент поверхности единичной площади^[1]. Например, при равномерном распределении плотности тока и всюду ортогональности её плоскости сечения, через которое вычисляется или измеряется ток, величина вектора плотности тока:

где I — сила тока через поперечное сечение проводника площадью S (также см.рисунок).

Иногда речь может идти о скалярной^[2] плотности тока, в таких случаях под ней подразумевается именно та величина j, которая приведена в формуле.

В общем случае:

,

где  — нормальная (ортогональная) составляющая вектора плотности тока по отношению к элементу поверхности площадью ; вектор — специально вводимый вектор элемента поверхности, ортогональный элементарной площадке и имеющий абсолютную величину, равную её площади, позволяющий записать подынтегральное выражение как обычное скалярное произведение.

Как видим из этого определения, сила тока есть поток вектора плотности тока через некую заданную фиксированную поверхность.

В простейшем предположении, что все носители тока (заряженные частицы) двигаются с одинаковым вектором скорости и имеют одинаковые заряды (такое предположение может иногда быть приближенно верным; оно позволяет лучше всего понять физический смысл плотности тока), а концентрация их ,

или

где — плотность заряда этих носителей.

Направление вектора соответствует направлению вектора скорости , с которой движутся заряды, создающие ток, если q положительно.

В реальности даже носители одного типа движутся вообще говоря и как правило с различными скоростями. Тогда под следует понимать среднюю скорость.

В сложных системах (с различными типами носителей заряда, например, в плазме или электролитах)

то есть вектор плотности тока есть сумма плотностей тока по всем типам подвижных носителей; где — концентрация частиц каждого типа, — заряд частицы данного типа, — вектор средней скорости частиц этого типа.

Выражение для общего случая может быть записано также через сумму по всем индивидуальным частицам:

15

Зако́н О́ма — эмпирический физический закон, определяющий связь электродвижущей силы источника или электрического напряжения с силой тока и сопротивлением проводника. Экспериментально установлен в 1826 году, и назван в честь его первооткрывателя Георга Ома.

В своей оригинальной форме он был записан его автором в виде : ,

Здесь X — показания гальванометра, т.е в современных обозначениях сила тока I, a — величина, характеризующая свойства источника тока, постоянная в широких пределах и не зависящая от величины тока, то есть в современной терминологии электродвижущая сила (ЭДС) , l — величина, определяемая длиной соединяющих проводов, чему в современных представлениях соответствует сопротивление внешней цепи R и, наконец, b параметр, характеризующий свойства всей установки, в котором сейчас можно усмотреть учёт внутреннего сопротивления источника тока r^[1].

В таком случае в современных терминах и в соответствии с предложенной автором записи формулировка Ома (1) выражает

Закон Ома для полной цепи:

, (2)

где:

•  — ЭДС источника напряжения,

•  — сила тока в цепи,

•  — сопротивление всех внешних элементов цепи,

•  — внутреннее сопротивление источника напряжения.

Из закона Ома для полной цепи вытекают следствия:

• При r<<R сила тока в цепи обратно пропорциональна её сопротивлению. А сам источник в ряде случаев может быть назван источником напряжения

• При r>>R сила тока от свойств внешней цепи (от величины нагрузки) не зависит. И источник может быть назван источником тока.

Часто^[2] выражение:

 (3)

(где есть напряжение или падение напряжения, или, что то же, разность потенциалов между началом и концом участка проводника) тоже называют «Законом Ома».

Таким образом, электродвижущая сила в замкнутой цепи, по которой течёт ток в соответствии с (2) и (3) равняется:

 (4)

То есть сумма падений напряжения на внутреннем сопротивлении источника тока и на внешней цепи равна ЭДС источника. Последний член в этом равенстве специалисты называют «напряжением на зажимах», поскольку именно его показывает вольтметр, измеряющий напряжение источника между началом и концом присоединённой к нему замкнутой цепи. В таком случае оно всегда меньше ЭДС.

К другой записи формулы (3), а именно:

 (5)

применима другая формулировка:

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи.

Выражение (5) можно переписать в виде:

 (6)

где коэффициент пропорциональности G назван проводимость или электропроводность. Изначально единицей измерения проводимости был «обратный Ом» — Mо^[3], в Международной системе единиц (СИ) единицей измерения проводимости является си́менс (русское обозначение: См; международное: S), величина которого равна обратному ому.

ЗАКОН ДЖОУЛЯ -ЛЕНЦА

При прохождениии тока по проводнику проводник нагревается, и происходит теплообмен с окружающей средой, т.е. проводник отдает теплоту окружающим его телам.

Количество теплоты, выделяемое проводником с током в окружающую среду, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.

По закону сохранения энергии количество теплоты, выделяемое проводником численно равно работе, которую совершает протекающий по проводнику ток за это же время.

В системе СИ:

[Q] = 1 Дж

19

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

— это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.

СВОЙСТВА ( стационарного) МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Постоянное (или стационарное) магнитное поле — это магнитное поле, неизменяющееся во времени .

1. Магнитное поле создается движущимися заряженными частицами и телами, проводниками с током, постоянными магнитами.

2. Магнитное поле действует на движущиеся заряженные частицы и тела, на проводники с током, на постоянные магниты, на рамку с током.

3. Магнитное поле вихревое, т.е. не имеет источника.

— это силовая характеристика магнитного поля.

Вектор магнитной индукции направлен всегда так, как сориентирована свободно вращающаяся магнитная стрелка в магнитном поле.

Единица измерения магнитной индукции в системе СИ:

Направление линий магнитной индукции

— определяется по правилу буравчика или по правилу правой руки.

Правило буравчика ( в основном для прямого проводника с током):

Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока.

Правило правой руки ( в основном для определения направления магнитных линий  внутри соленоида):

Если обхватить соленоид ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца были направлены вдоль тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.

Существуют другие возможные варианты применения правил буравчика и правой руки.

Сила ампера

— это сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током.

Модуль силы Ампера равен произведению силы тока в проводнике на модуль вектора магнитной индуции, длину проводника и синус угла между вектором магнитной индукции и направлением тока в проводнике.

Сила Ампера максимальна, если вектор магнитной индукции перпендикулярен проводнику.

Если вектор магнитной индукции параллелен проводнику, то магнитное поле не оказывает никакого действия на проводник с током, т.е. сила Ампера равна нулю.

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки:

Если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная проводнику составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, а 4 вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, действующий на проводник с током.

Примеры:

или 

Действие магнитного поля на рамку с током

Однородное магнитное поле ориентирует рамку (т.е. создается вращающий момент и рамка поворачивается в положение, когда вектор магнитной индукции перпендикулярен плоскости рамки).

Неоднородное магнитное поле ориентирует + притягивает или отталкивает рамку с током. Так, в магнитном поле прямого проводника с током (оно неоднородно) рамка с током ориентируется вдоль радиуса магнитной линии и притягивается или отталкивается от прямого проводника с током в зависимости от направления токов.

22

Магнитный момент витка с током это физическая величина, как и любой  другой магнитный момент, характеризует магнитные свойства данной системы. В нашем случае систему представляет круговой виток с током. Этот ток создает магнитное поле, которое взаимодействует с внешним магнитным полем. Это может быть как поле земли, так и поле постоянного или электромагнита.

Рисунок — 1 круговой виток с током

 Круговой виток с током можно представить в виде короткого магнита. Причем этот магнит будет направлен перпендикулярно плоскости витка. Расположение полюсов такого магнита определяется с помощью правила буравчика. Согласно которому северный плюс будет находиться за плоскостью витка, если ток в нем будет двигаться по часовой стрелке.

Рисунок—  2 Воображаемый полосовой магнит на оси витка

 На этот магнит, то есть на наш круговой виток с током, как и на любой другой магнит, будет воздействовать внешнее магнитное поле. Если это поле будет однородным, то возникнет вращающий момент, который будет стремиться развернуть виток. Поле буде поворачивать виток так чтобы его ось расположилась вдоль поля. При этом силовые линии самого витка, как маленького магнита, должны совпасть по направлению с внешним полем.

 Если же внешнее поле будет не однородным, то к вращающему моменту добавится и поступательное движение. Это движение возникнет вследствие того что участки поля с большей индукцией будут притягивать наш магнит в виде витка больше чем участки с меньшей индукцией. И виток начнет двигаться в сторону поля с большей индукцией.

 Величину магнитного момента кругового витка с током можно определить по формуле.

studfiles.net

Тесла (единица измерения) — это… Что такое Тесла (единица измерения)?

У этого термина существуют и другие значения, см. Тесла.

Те́сла (русское обозначение: Тл; международное обозначение: T) — единица измерения индукции магнитного поля в Международной системе единиц (СИ), численно равная индукции такого однородного магнитного поля, в котором на 1 метр длины прямого проводника, перпендикулярного вектору магнитной индукции, с током силой 1 ампер действует сила 1 ньютон.

Через другие единицы измерения СИ 1 Тесла выражается следующим образом:

Размерность теслы: MT⁻²I⁻¹

Единица названа в честь изобретателя Николы Тесла.

Характерные значения

• Во внешнем космосе магнитная индукция составляет от 0,1 до 10 нанотесла (от 10⁻¹⁰ Тл до 10⁻⁸ Тл).
• Магнитное поле Земли значительно варьируется во времени и пространстве. На широте 50° магнитная индукция в среднем составляет 5·10⁻⁵ Тл, а на экваторе (широта 0°) — 3,1·10⁻⁵ Тл.
• Сувенирный магнит на холодильнике создает поле около 5 миллитесла.
• Отклоняющие дипольные магниты Большого адронного коллайдера — от 0,54 до 8,3 Тл.
• В солнечных пятнах — 10 Тл.
• Рекордное значение постоянного магнитного поля, достигнутое людьми без разрушения установки — 100,75 Тл^[1]
• Рекордное значение импульсного магнитного поля, когда либо наблюдавшегося в лаборатории — 2,8·10³ Тл^[2]
• Магнитные поля в атомах — от 1 до 10 килотесла (10³ — 10⁴ Тл).
• На нейтронных звёздах — от 1 до 100 мегатесла (10⁶ Тл — 10⁸ Тл).
• На магнетарах — от 0,1 до 100 гигатесла (10⁸ — 10¹¹ Тл).

Кратные и дольные единицы

Десятичные кратные и дольные единицы образуют с помощью стандартных приставок СИ.

Кратные				Дольные
величина	название	обозначение		величина	название	обозначение
101 Тл	декатесла	даТл	daT	10−1 Тл	децитесла	дТл	dT
102 Тл	гектотесла	гТл	hT	10−2 Тл	сантитесла	сТл	cT
103 Тл	килотесла	кТл	kT	10−3 Тл	миллитесла	мТл	mT
106 Тл	мегатесла	МТл	MT	10−6 Тл	микротесла	мкТл	µT
109 Тл	гигатесла	ГТл	GT	10−9 Тл	нанотесла	нТл	nT
1012 Тл	тератесла	ТТл	TT	10−12 Тл	пикотесла	пТл	pT
1015 Тл	петатесла	ПТл	PT	10−15 Тл	фемтотесла	фТл	fT
1018 Тл	эксатесла	ЭТл	ET	10−18 Тл	аттотесла	аТл	aT
1021 Тл	зеттатесла	ЗТл	ZT	10−21 Тл	зептотесла	зТл	zT
1024 Тл	йоттатесла	ИТл	YT	10−24 Тл	йоктотесла	иТл	yT
применять не рекомендуется

Примечания

dic.academic.ru