3.5.4 Постоянные и переменные магнитные поля
Магнитные поля (МП) могут быть постоянными, импульсными и переменными.
Источниками постоянного магнитного поля на производстве являются технологическое оборудование и процессы, в которых используются электромагниты постоянного тока, литые и металлокерамические магниты, а переменного магнитного поля промышленной частотой (50 Гц) – линии электропередач (ЛЭП), различные силовые установки, токоведущие части мощного технологического оборудования и линии электропитания.
Магнитные поля промышленной частоты возникают вокруг любых электроустановок и токопроводов. Чем больше ток в проводе, тем выше интенсивность магнитного поля.
Интенсивность магнитных полей характеризуется магнитной индукцией В , Тл (тесла), потоком магнитной индукции Ф , Вб (вебер) и напряженностью Н, А / м (ампер на метр).
Магнитная индукция характеризует направление действия магнитной силы и ее значение в данной точке поля. Магнитная индукция – это векторная величина, которая численно равна силе, с которой магнитное поле действует на проводник длиной в 1м с протекающим по нему током в 1А и определяется:
где В – магнитная индукция, Тл; F – сила, действующая на проводник с током, Н; I – сила тока в проводнике, А; l – длина проводника, м.
Поток магнитной индукции – это физическая величина,
характеризующая количество магнитной индукции, воздействующее на
единицу площади поверхности. Поток магнитной индукции Ф определяется по формуле:
где S – площадь поверхности, м 2 ; α – угол между направлением действия магнитной индукции и нормалью к поверхности.
Напряженность постоянного и переменного магнитного поля – это физическая величина, характеризующая магнитное поле и определяемая по формуле:
где μ a – абсолютная магнитная проницаемость, равная μ a = μ 0 μ , где μ 0 – магнитная постоянная ( 4 π 10 7 Гн / м ); μ – магнитная проницаемость среды.
Соотношение между значением напряженности магнитного поля и магнитной индукцией следующее:
1мТл = 800А/м; 1А/м = 1,25 мкТл.
Негативное воздействие магнитных колебаний выражается в нарушении функции ЦНС, сердечно-сосудистой системы и других систем организма, что способствует снижению работоспособности, ухудшению психофизиологического состояния и угнетению общей активности.
В последнее время появляются публикации о возможном влиянии неинтенсивных магнитных полей на возникновение злокачественных заболеваний. В частности, ученые Швеции обнаружили у детей до 15 лет, проживающих около ЛЭП, что при магнитной индукции 0,2 мкТл они заболевают лейкемией в 2,7 раза чаще, чем в контрольной группе, удаленной от ЛЭП, и в 3,8 раза чаще, если индукция выше 0,3 мкТл, то есть при напряженности магнитного поля около 0,24 А/м.
Существует большое количество гипотез, объясняющих биологическое действие магнитных полей. В основном они сводятся к индуцированию токов в живых тканях и непосредственному влиянию поля на клеточном уровне.
Относительно безвредными для человека в течение длительного времени следует признать МП, имеющее порядок геомагнитного поля и его аномалий, т.е. напряженности МП не более 0,15-0,20 кА/м. При более высоких напряженностях МП начинает проявляться реакция на уровне организма. Характерной чертой этих реакций является длительная задержка относительно начала действия МП, а также ярко выраженный кумулятивный эффект при длительном действии МП. В частности, эксперименты, проведенные на людях, показали, что человек начинает ощущать МП, если оно действует не менее 3-7 с. Это ощущение сохраняется некоторое время (около 10 с.) и после окончания действия МП.
Нормирование и гигиеническая оценка магнитных полей
Нормируемыми параметрами магнитных полей являются напряженность поля и магнитная индукция, предельно допустимые значения, которых для
постоянного поля представлены в таблице 3.8, а для переменного – в таблицах 3.9 и 3.10.
Постоянное магнитное поле
Магнитное поле — одна из форм электромагнитного поля, которое действует только на движущиеся тела, которые имеют электрический заряд или намагниченные тела не зависимо от их движения.
Источниками этого поля являются постоянные электрические токи, движущиеся электрические заряды (телами и частицами), намагниченные тела, переменные электрические поля. Источниками постоянного магнитного поля являются постоянные токи.
Свойства магнитного поля
Во времена, когда изучение магнитных явлений только началось, исследователи особенное внимание уделяли тому, что существуют полюса в намагниченных брусках. В них магнитные свойства проявлялись особенно ярко. При этом четко было видно, что полюса магнита различны. Разноименные полюса притягивались, а одноименные отталкивались. Гильберт высказал идею о существовании «магнитных зарядов». Эти представление подержал и развил Кулон. На основе опытов Кулона силовой характеристикой магнитного поля стала сила, с которой магнитное поле действует на магнитный заряд, равный единице. Кулон же обратил внимание на существенные различия между явлениями в электричестве и магнетизме. Различие проявляется уже в том, что электрические заряды можно разделить и получить тела с избытком положительного или отрицательного заряда, тогда как невозможно разделить северный и южный полюса магнита и получить тело только с одним полюсом. Из невозможности деления магнита на исключительно «северный» или «южный» Кулон решил, что два эти вида зарядов неразрывны в каждой элементарной частице намагничивающего вещества. Так, было признано, что каждая частица вещества — атом, молекула или их группа — есть нечто вроде микро магнита с двумя полюсами. Намагничивание тела при этом — процесс ориентации его элементарных магнитов под влиянием внешнего магнитного поля (аналог поляризации диэлектриков).
Взаимодействие токов реализуется посредством магнитных полей. Эрстед обнаружил, что магнитное поле возбуждается током и оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку. У Эрстеда проводник с током был расположен над магнитной стрелкой, которая могла вращаться. Когда ток шел в проводнике, стрелка поворачивалась перпендикулярно проволоке. Смена направления тока вызывало переориентацию стрелки. Из опыта Эрстеда следовало, что магнитное поле имеет направление и должно характеризоваться векторной величиной. Эту величину назвали магнитной индукцией и обозначили: $\overrightarrow.$ $\overrightarrow$ аналогичен вектору напряженности для электрического поля ($\overrightarrow
Магнитное поле воздействует только на движущийся электрический заряд. Магнитное поле рождается движущимися электрическими зарядами.
Магнитное поле движущегося заряда. Магнитное поле витка с током. Принцип суперпозиции
Магнитное поле электрического заряда, который движется с постоянной скоростью, имеет вид:
где $<\mu >_0=4\pi \cdot <10>^<-7>\frac<Гн><м>(в\ СИ)$ — магнитная постоянная, $\overrightarrow
Магнитная индукция элемента с током в системе СИ:
где$\ \overrightarrow
- $- элемент проводника с током (направление задано направление тока), $\vartheta$ — угол между $\overrightarrow
- Магнитное поле, создаваемое во внутренней полой области длинной цилиндрической катушки из медной проволоки с током.
- Магнитное поле, создаваемое источником постоянного тока
- Магнитное поле Земли
- $ и $\overrightarrow
- $ и $\overrightarrow
Для магнитного поля выполняется принцип суперпозиции:
где $<\overrightarrow>_i$ — отдельные поля, которые порождаются движущимися зарядами, $\overrightarrow$ — суммарная индукция магнитного поля.
Задание: Найдите отношение сил магнитного и кулоновского взаимодействия двух электронов, которые движутся с одинаковыми скоростями $v$ параллельно. Расстояние между частицами постоянно.
Будем считать, что один электрон поле создает (и магнитное и электрическое), а другой в нем движется. Тогда на электрон, который движется в поле, действует со стороны магнитного поля сила равная (система СИ):
Магнитное поле постоянного тока
При протекании не изменяющихся во времени токов по проводящим телам, являющихся неподвижными в пространстве относительно наблюдателя, возникает электромагнитное поле. Последнее состоит из двух компонент — электрического и магнитного полей. Но электрическое поле не изменяется во времени, поэтому не оказывает никакого влияния на магнитное поле. На основании этого магнитное поле постоянного тока может рассматриваться независимо от электрического.
Суть явления
Магнитное поле постоянного тока возникает вокруг проводника, по которому протекает электрический ток, не изменяющийся со временем или при использовании постоянных магнитов.
Земля также обладает магнитным полем, которое генерируется ее геодинамическими процессами. Поле планеты является слабым по сравнению с тем, что создается машинами или магнитами, измеряется в микротеслах (мкТл).
Любое поле условно изображается с помощью линий, получивших название силовых. Чем гуще располагаются линии на рисунке, тем большей интенсивностью обладает поле. Силовые линии представляют собой замкнутые окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной проводнику, ось которого является местом расположения центральных точек окружностей. Замкнутость силовых линий свидетельствует о том, что не существует природных магнитных зарядов, подобных электрическим.
Вектор МП направлен по касательной к силовым линиям. В этом можно убедиться, воспользовавшись магнитной стрелкой. В каждой точке поля она будет устанавливаться по касательной к некоторой окружности, изображающей силовую линию. Если ток по проводнику пустить в другом направлении, то и стрелка развернется в противоположную сторону. Следовательно, направление вектора силы поля зависит от направления тока, протекающего по проводнику.
Магниты обладают собственным МП. Линии магнитного поля, расположенные в пространстве вне постоянного магнита, начинаются на северном полюсе магнита, а заканчиваются на южном. МП двух магнитов вступают во взаимодействие друг с другом. При этом происходит переориентация магнитов.
Характеристики поля
Основная силовая характеристика магнитного поля называется магнитной индукцией (В) Она измеряется в единицах, получивших название тесла (Т) в честь известного ученого. Индукция определяет силу и направление поля в данной точке пространства. Поле тем сильнее, чем выше значение его характеристики В.
Магнитное поле, создаваемое бесконечным проводником с током, имеет индукцию, значение которой определяется с помощью такой формулы:
Чтобы рассчитать модуль индукции в центре витка с током, используют такое уравнение:
Направление вектора индукции определяется несколькими способами.
Еще одна характеристика МП — плотность магнитного потока (Ф) показывает количество силовых линий, проходящих через определенную поверхность. Измеряется в веберах (Вб). Чем выше плотность, тем более интенсивно действует поле.
Магнитная напряженность (Н) — это количественная характеристика, не зависящая от магнитных свойств среды. Измеряется в амперах на метр (А/м). Напряженность и индукция связаны следующим выражением:
Магнитная проницаемость (μ) определяет способность среды или материала создавать внутреннее магнитное поле под влиянием внешнего. Различные материалы имеют разные значения проницаемости, и это влияет на индукцию внутри материала.
Взаимодействие магнитного поля с проводником
При перемещении электрозарядов всегда возникает магнитное поле, которое в свою очередь вызывает движение электрозарядов. Связь между электрическими и магнитными явлениями выражается электромагнитным полем. На каждую частицу с зарядом в таком поле действует сила Лоренца.
Поскольку электроток — это движение заряженных частиц по проводнику, то магнитное поле взаимодействует не только с зарядами, но и с самим проводником. Воздействие МП на проводник с током является одним из основных его проявлений. Силу, с которой поле действует на проводник, назвали силой Ампера. Ее направление находят, пользуясь правилом левой руки.
Сила Ампера имеет максимальное значение, если проводник расположен перпендикулярно вектору магнитной индукции. Если же проводник и вектор МИ параллельны, то сила Ампера отсутствует, поскольку sin0 = 0.
Если рядом с проводником расположить второй, то при протекании тока по ним, первый окажется в магнитном поле, возникающем вокруг второго, а второй в том, которое образуется вокруг первого. Если токи в обоих проводниках текут в одном направлении, то проводники притягиваются друг к другу. В противном случае они отталкиваются.
Поле в машинах постоянного тока
Свойство рамки поворачиваться в магнитном поле под действием силы Ампера используется в машинах, преобразующих электрическую энергию в механическую (двигатели) или механическую в электрическую (генераторы). Рамки в таких машинах располагаются в пазах цилиндра, называемого якорем. Концы рамок соединяются с коллектором, закрепленным на одной оси с якорем.
Магнитное поле машины постоянного тока образуется при прохождении токов по обмотке неподвижного индуктора. Под влиянием МП возникает момент, вращающий якорь. Реакция якоря зависит от силы электротока, протекающего по обмотке и насыщения магнитной цепи.
В якоре во время холостого хода тока нет. Магнитное поле при этом образуется лишь под влиянием намагничивающей силы полюсов. Оно распределяется симметрично по отношению к оси полюсов и равномерно в пространстве воздушного зазора.
Магнитное поле машины постоянного тока, которое возникает при нагрузке в обмотке якоря, воздействует на поле полюсов, изменяя и искажая его. То есть, под действием намагничивающей силы якоря и полюсов создается результирующий магнитный поток, не идентичный потоку полюсов при холостом ходе.
В результате с одной стороны полюса происходит снижение магнитной индукции, а с другой — увеличение. Следовательно, результирующее МП нагруженной машины распределяется несимметрично относительно оси полюсов.
Искажение МП ухудшает условия коммутации и рабочие свойства машины. У генераторов наблюдается снижение ЭДС, а у двигателей — вращающего момента. Для борьбы с данным явлением используют компенсационные обмотки. Наличие такого элемента обеспечивает практически неизменное МП машины при переходе с холостого хода в режим с нагрузкой.
Практическое применение
Помимо электродвигателей и генераторов, магнитное поле постоянного тока широко используется в других сферах. Например, в медицинских устройствах для магнитно-резонансной томографии (МРТ). С его помощью получают детальные изображения внутренних органов и тканей человека.
Магнитные системы находят применение в таких устройствах, как сепараторы, подъемники, подшипники. Они используются для сортировки материалов, удержания и перемещения предметов и других задач.
Магнитные поля используются для омагничивания воды. Так как без воды не обходится ни один биологический процесс и подавляющее большинство технологических процессов, то изменение ее свойств с помощью МП находит широкое применение в медицине, пищевых технологиях, химии и даже в сельском хозяйстве.
Магнетизм применяется в электромагнитных пушках и ускорителях. С помощью этого физического явления создаются поля, которые воздействуют на заряженные частицы и помогают управлять их движением и ускорением.
Важным аспектом магнитного поля является его поведение при работе с нагрузкой. Последняя способна влиять на поле и его взаимодействие с проводниками в машине, что может приводить к потерям энергии или изменению характеристик устройства.
Постоянно ли магнитное поле: 7 интересных фактов
Сила магнитного поля в любой области является основным фактором, определяющим, является ли магнитное поле постоянным или нет. Если оно остается постоянным, говорят, что постоянное магнитное поле существует. Постоянное магнитное поле получается, если сила, за счет которой создается магнитное поле, постоянна.
Различные ситуации, когда магнитное поле остается постоянным, на конкретных примерах будут рассмотрены ниже.
Остается ли магнитное поле постоянным?
Нет необходимости, чтобы магнитное поле оставалось постоянным на всем протяжении. Хотя магнитное поле Земли считается однородным в обширной области, оно всегда колеблется и изменяется в зависимости от местоположения и времени.
Магнитное поле можно сделать постоянным, генерируя его с помощью длинной цилиндрической катушки из проволоки. Следовательно, постоянные токи могут создавать постоянные магнитные поля.
Когда магнитное поле постоянно?
Магнитное поле является постоянным в ситуациях, когда источник тока, создающий магнитное поле, является постоянным. Проводник с током создает магнитное поле. Точно так же длинная катушка провода, по которой течет ток, создает постоянное магнитное поле внутри.
Почему магнитное поле постоянно?
Магнитное поле является постоянным, поскольку статические поля генерируются источниками постоянного тока. По закону Ампера ток, протекающий по проводу, способен генерировать статическое магнитное поле вокруг провода.
Почему магнитное поле непостоянно?
Бывают случаи, когда магнитное поле не остается постоянным. Рассмотрим магнитное поле нашей Земли. Он практически считается постоянным на обширной территории. Но на самом деле она не постоянна, а колеблется во времени, а также в разных местах.
Магнитное поле Земли создается за счет тока, протекающего через внутреннее расплавленное железо и никелевое ядро. Но всякий раз, когда изменяется движение жидкости или возникают какие-либо колебания, результирующее магнитное поле также будет другим.
Недавние исследования больше направлены на изучение колебаний магнитного поля Земли. Такие исследования могут рассказать о природе внутреннего ядра нашей Земли и его свойствах.
Как создать постоянное магнитное поле?
Постоянные магнитные поля создаются, когда сила, стоящая за генерацией магнитного поля, постоянна. Постоянное магнитное поле легко получить с помощью длинной цилиндрической катушки проволоки. Когда ток проходит через катушку или провод, создается магнитное поле, и во всей центральной полой области катушки магнитное поле постоянно.
Длинную цилиндрическую катушку из проволоки иногда называют соленоидом, а ее поведение (магнитный момент) похоже на стержневой магнит.
Примеры постоянного магнитного поля
Длинную цилиндрическую катушку с током часто называют соленоидом. Он создает однородное магнитное поле внутри катушки, и его поведение можно сравнить со стержневым магнитом. Тем не менее, на его концах и вне катушки магнитное поле может не оставаться постоянным.
Магнитное поле Земли на большой площади считается постоянным. Но на самом деле магнитное поле из-за ядра Земли постоянно меняется, и величина магнитного поля в разных местах различна.
Магнитное поле Земли
Кредиты на изображения: Wikimedia Commons
Магнитное поле Земли постоянно или меняется?
Магнитное поле Земли непостоянно и меняется со временем и в зависимости от местоположения. Магнитное поле Земли обусловлено наличием расплавленного железного ядра. Электрические токи, протекающие через сердечник, являются причиной наличия магнитного поля.
Магнитное поле Земли проходит через ядро, а также через земную кору и космос наружу, но в областях земной коры и космоса сила магнитного поля становится слабее по сравнению с силой в ядре.
Магнитное поле Земли различно в разных местах Земли, из-за чего его необходимо измерять почти во всех местах, чтобы иметь оценку распределения магнитного поля в разных местах.
Постоянно ли магнитное поле в соленоиде?
Внутри полой области соленоида силовые линии магнитного поля представлены параллельными линиями. Равноудаленные параллельные линии означают, что магнитное поле однородно или постоянно внутри соленоида.
Соленоид в основном представляет собой длинную катушку, содержащую множество круглых петель, сделанных из изолированного медного провода. Когда ток проходит через провод, линии магнитного поля создаются в соответствии с законом Ампера, и эти линии поля напоминают магнитное поле, создаваемое стержневым магнитом.
Следует отметить, что снаружи соленоида магнитное поле очень слабое и слабое по сравнению с магнитным полем, создаваемым внутри. Поэтому для практических целей поле вне соленоида считается равным нулю.
Заключение
Чтобы подвести итог, мы кратко обсудили некоторые факты на тему «Постоянно ли магнитное поле?». В этой статье освещаются различные случаи, когда магнитное поле постоянно, а когда нет. Дано краткое представление о магнитном поле Земли и магнитном поле, создаваемом соленоидом.