Τα μαγνητικά πεδία αποκωδικοποιούνται: Αρχές, μετρήσεις και πρακτικές χρήσεις

Τα μαγνητικά πεδία και οι αλληλεπιδράσεις τους με υλικά και ηλεκτρικά ρεύματα αποτελούν κύριο μέρος της φυσικής.Έχουν πολλές χρήσεις στην τεχνολογία, την ιατρική και την καθημερινή ζωή.Η μελέτη διαμήκων και κυκλικών μαγνητικών πεδίων βοηθάει στην εξήγηση της μαγνητικής συμπεριφοράς σε διαφορετικές καταστάσεις, από τα υλικά δοκιμών χωρίς βλάβη για την επιθεώρηση κοίλων αντικειμένων.Μέθοδοι όπως η μαγνητομετρία, οι ηλεκτρομαγνήτες και οι απλές πυξίδες μας βοηθούν να μετρήσουμε και να χρησιμοποιήσουμε μαγνητικά πεδία ακριβώς τόσο στην επιστήμη όσο και στη βιομηχανία.Κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα μαγνητικά πεδία λειτουργούν γύρω από τους αγωγούς, τις ηλεκτρομαγνητικές ηλεκτρομαγνητικές ηλεκτρομαγνητικές ηλεκτρομαγνητικές πράξεις και τα πηνία καλύτερα για το σχεδιασμό αποτελεσματικών ηλεκτρικών κυκλωμάτων και μαγνητικών συσκευών.Οι αρχές όπως η επαγωγή και ο κανόνας του δεξιού χεριού είναι πολύτιμες για καινοτόμες εφαρμογές, από μηχανές μαγνητικής τομογραφίας έως επιταχυντές σωματιδίων.Αυτό το άρθρο διερευνά τις επιδράσεις των μαγνητικών πεδίων, τον τρόπο μέτρησης των, τη συμπεριφορά τους γύρω από τους αγωγούς και τους πηνία και τον τρόπο δημιουργίας και ενίσχυσης των μαγνητικών πεδίων για πρακτικές χρήσεις.

Κατάλογος

Εικόνα 1: Γραμμές μαγνητικού πεδίου ενός μαγνήτη ράβδων

Τι είναι ένα μαγνητικό πεδίο;

Ένα μαγνητικό πεδίο είναι μια αόρατη περιοχή που περιβάλλει έναν μαγνήτη όπου ασκεί δύναμη σε άλλους μαγνήτες ή σιδηρομαγνητικά υλικά όπως το σίδηρο.Παρόλο που δεν μπορούμε να δούμε το πεδίο, η παρουσία του είναι εμφανής μέσω των αποτελεσμάτων του, όπως η ευθυγράμμιση των αρχείων σιδήρου ή η εκτροπή μιας βελόνας πυξίδας.Αυτό το πεδίο επιτρέπει στους μαγνήτες να προσελκύσουν ή να απωθήσουν άλλους μαγνήτες και σιδηρομαγνητικά υλικά.

Εικόνα 2: Πηγές μαγνητικών πεδίων

Ένα μαγνητικό πεδίο σχηματίζεται κάθε φορά που κινείται ηλεκτρικό φορτίο.Αυτή η αρχή, που διατυπώθηκε πρώτα από τον André-Marie Ampère, δηλώνει ότι τα ηλεκτρικά ρεύματα παράγουν μαγνητικά πεδία.Τα ηλεκτρόνια, μέσα από την περιστροφή τους και την περιστροφή γύρω από τους ατομικούς πυρήνες ή τη μετακίνηση μέσα από ένα σύρμα, παράγουν αυτά τα πεδία.Η περιστροφή και η τροχιακή κίνηση των ηλεκτρονίων υπαγορεύουν την κατεύθυνση και την αντοχή των μαγνητικών πεδίων.Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από έναν αγωγό, δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο που επηρεάζεται από την ένταση και την κατεύθυνση του ρεύματος.Οι μόνιμοι μαγνήτες, όπως οι μαγνήτες ράβδων από σίδηρο, παράγουν ισχυρά, συνεπή μαγνητικά πεδία λόγω της ευθυγράμμισης των μορίων τους.Όταν ένας αγωγός βρίσκεται κοντά σε έναν μαγνήτη, το μαγνητικό πεδίο αλληλεπιδρά με τα κινούμενα φορτία στον αγωγό, προκαλώντας ένα ρεύμα και δημιουργώντας το δικό του μαγνητικό πεδίο.Αυτές οι αλληλεπιδράσεις μπορούν να οδηγήσουν σε ελκυστικές ή απωθητικές δυνάμεις.

Ιδιότητες μαγνητικών πεδίων

Τα μαγνητικά πεδία έχουν διαφορετικές ιδιότητες: δύναμη, κατεύθυνση και πολικότητα.

Εικόνα 3: Αντοχή μαγνητικού πεδίου

Αντοχή μαγνητικού πεδίου

Η αντοχή ενός μαγνητικού πεδίου ή η πυκνότητα μαγνητικής ροής εξαρτάται κυρίως από το ρεύμα που ρέει μέσω του αγωγού που το παρήγαγε.Το υψηλότερο ρεύμα έχει ως αποτέλεσμα ένα ισχυρότερο μαγνητικό πεδίο.Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου αντιπροσωπεύουν οπτικά τη δύναμη του πεδίου.Είναι πιο πυκνότερα σε ισχυρότερα πεδία και πιο μακριά σε ασθενέστερα πεδία.Αυτή η σχέση αποδεικνύεται σαφώς σε ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες, όπου η αύξηση του αριθμού των στροφών των πηνίων ενισχύει το μαγνητικό πεδίο.Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ πολλαπλών μαγνητικών πεδίων μπορούν είτε να ενισχύσουν είτε να αποδυναμώσουν τα ατομικά τους πλεονεκτήματα, ανάλογα με τον προσανατολισμό τους.Η αντοχή ενός μαγνητικού πεδίου μειώνεται με την απόσταση από την πηγή του, δείχνοντας αντίστροφη σχέση μεταξύ της αντοχής του πεδίου και της απόστασης.

Κατεύθυνση μαγνητικού πεδίου

Η κατεύθυνση ενός μαγνητικού πεδίου είναι η διαδρομή που θα ακολουθήσει ένας Βόρειος Πόλος εάν τοποθετηθεί μέσα στο πεδίο.Οι γραμμές δύναμης απεικονίζουν αυτήν την τροχιά.Μια πυξίδα είναι ένα πρακτικό εργαλείο για τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης του πεδίου, καθώς η βελόνα του ευθυγραμμίζεται με το μαγνητικό πεδίο.Η κατεύθυνση του πεδίου μπορεί επίσης να συναχθεί από την επίδρασή του στις μετακινήσεις.Ένα φορτίο που μετακινείται μέσα από ένα μαγνητικό πεδίο βιώνει μια δύναμη κάθετη τόσο στην κατεύθυνση του πεδίου όσο και στην κίνηση του, βοηθώντας στον προσδιορισμό του προσανατολισμού του πεδίου.

Εικόνα 4: Η κατεύθυνση του βέλος της πυξίδας ίδια με την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου

Πολικότητα μαγνητικού πεδίου

Η κατανόηση του μαγνητισμού βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στην πολικότητα.Όλοι οι μαγνήτες έχουν δύο πόλους, παρόμοιοι με θετικές και αρνητικές χρεώσεις στην ηλεκτρική ενέργεια.Αυτοί οι πόλοι ονομάζονται βόρειοι και νότιοι πόλοι.Αυτή η ονομασία αντικατοπτρίζει τους γεωγραφικούς πόλους της Γης, αν και ενδιαφέρον, ο βόρειος μαγνητικός πόλος της Γης βρίσκεται κοντά στον γεωγραφικό νότιο πόλο και αντίστροφα.Αυτό δείχνει τη σύνθετη σχέση μεταξύ μαγνητικών και γεωγραφικών φαινομένων.

Οι μαγνήτες δύο πόλοι είναι βόρεια και νότια.Αυτοί οι πόλοι λειτουργούν σαν θετικές και αρνητικές ηλεκτρικές χρεώσεις.Οι αντίθετοι πόλοι προσελκύουν, ενώ οι πόλοι απωθούν.Για παράδειγμα, εάν φέρετε δύο μαγνήτες κοντά, ο Βόρειος Πόλος ενός θα προσελκύσει τον Νότιο Πόλο του άλλου.Ωστόσο, αν προσπαθήσετε να φέρετε μαζί δύο βόρειους πόλους ή δύο νότιους πόλους, θα απομακρυνθούν ο ένας από τον άλλο.Αυτή η έλξη και η απόρριψη εξηγούν πώς αλληλεπιδρούν οι μαγνήτες μεταξύ τους και με μαγνητικά υλικά.

Εικόνα 5: πολικότητα μαγνητικού πεδίου

Επιδράσεις μαγνητικών πεδίων

Τα μαγνητικά πεδία έχουν μεγάλο αντίκτυπο στα υλικά, ειδικά σε άτομα με ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από τους πυρήνες τους.Όταν εφαρμόζεται ένα μαγνητικό πεδίο, αυτά τα ηλεκτρόνια ευθυγραμμίζονται με το πεδίο, καθιστώντας το υλικό μαγνητικό.Αυτό μπορεί να προκαλέσει την προσέλκυση του υλικού ή απωθημένου από το μαγνητικό πεδίο, ανάλογα με το πόσο ισχυρό είναι το πεδίο και με ποιο τρόπο είναι προσανατολισμένο.Μερικές φορές, αυτή η ευθυγράμμιση μπορεί να αλλάξει ακόμη και το σχήμα του υλικού.

Τα μαγνητικά πεδία παίζουν επίσης ρόλο στη μετακίνηση ηλεκτρονίων μέσω κυκλωμάτων και επηρεάζοντας τον τρόπο συμπεριφοράς των μαγνήτη.Μια ιδέα είναι η επαγωγή, η οποία συμβαίνει όταν ένα καλώδιο που μεταφέρει ένα ηλεκτρικό ρεύμα βρίσκεται σε μαγνητικό πεδίο.Το σύρμα αισθάνεται μια δύναμη που αντιτίθεται στις αλλαγές στο ρεύμα, και αυτό είναι καλό για συσκευές όπως ηλεκτρικούς μετασχηματιστές και γεννήτριες.Τα μαγνητικά πεδία μπορούν να κάνουν ορισμένα υλικά να εκπέμπουν φως, ένα φαινόμενο γνωστό ως ηλεκτροφωταύγεια.Αυτό χρησιμοποιείται σε πράγματα όπως οθόνες επίπεδης οθόνης και σημάδια έκτακτης ανάγκης.

Μέτρηση μαγνητικών πεδίων

Τα μαγνητικά πεδία μπορούν να μετρηθούν χρησιμοποιώντας διάφορες μεθόδους.Τα μαγνητόμετρα μετρούν με ακρίβεια τη δύναμη και την κατεύθυνση των μαγνητικών πεδίων.Οι ηλεκτρομαγνήτες, που δημιουργούν ένα μαγνητικό πεδίο όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα περνάει μέσα από ένα πηνίο, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για μέτρηση.Οι Compasses προσφέρουν μια απλή μέθοδο για τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης του πεδίου.Αυτές οι μέθοδοι επιτρέπουν την ακριβή αξιολόγηση των μαγνητικών πεδίων, διευκολύνοντας τη μελέτη και την εφαρμογή τους σε διάφορες τεχνολογίες.

Εικόνα 6: μαγνητόμετρο

Εικόνα 7: Ηλεκτρομαγνήτη

Δείκτες πεδίου

Οι δείκτες πεδίου είναι σημαντικά εργαλεία για τη μέτρηση των μαγνητικών πεδίων, δίνοντας τόσο ποιοτικές όσο και μερικές φορές ποσοτικές πληροφορίες σχετικά με το μαγνητικό περιβάλλον.Αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούν ένα μαλακό σιδερένιο πτερύγιο που κινείται σε απόκριση σε ένα μαγνητικό πεδίο.Η εξέταση τους λεπτομερώς, όπως με μια εικόνα ακτίνων Χ, αποκαλύπτει την εσωτερική τους μηχανική.Το σιδερένιο πτερύγιο συνδέεται με μια βελόνα, η οποία μετακινεί έναν δείκτη κατά μήκος μιας κλίμακας, μετατρέποντας την επιρροή του μαγνητικού πεδίου σε μια ευανάγνωστη τιμή.

Εικόνα 8: Δείκτες πεδίου

Οι δείκτες πεδίου αποκτούν ακρίβεια μέσω της τελειοποίησης και της βαθμονόμησης.Αυτό τους επιτρέπει να παρέχουν ακριβή ποσοτικά δεδομένα εντός ενός συγκεκριμένου εύρους.Μετρούν μαγνητικά πεδία από +20 Gauss σε -20 Gauss, καθιστώντας τα ιδανικά για εφαρμογές όπως η ανίχνευση υπολειμματικών μαγνητικών πεδίων μετά την απομαγνητοποίηση.Παρόλο που το εύρος τους είναι περιορισμένο, η ακρίβειά τους και η αξιοπιστία τους τους καθιστούν ευεργετική για λεπτομερείς μετρήσεις μαγνητικού πεδίου μέσα σε αυτούς τους περιορισμούς.Στην πρακτική χρήση, οι δείκτες πεδίου υπερέχουν σε καταστάσεις που απαιτούν απλές, ισχυρές μετρήσεις χωρίς σύνθετα ηλεκτρονικά.Η μηχανική τους απλότητα εξασφαλίζει την ευκολία χρήσης και την ανθεκτικότητα, καθιστώντας τους μια προτιμώμενη επιλογή σε διάφορα βιομηχανικά και εργαστηριακά περιβάλλοντα όπου απαιτούνται γρήγορες, αξιόπιστες μετρήσεις.

Μετρητής Hall-Effect (Gauss/Tesla)

Εικόνα 9: Hall-effect

Οι μετρητές Hall-Effect είναι προχωρημένα μέσα για την ακρίβεια της αντοχής του μαγνητικού πεδίου, παρέχοντας αναγνώσεις σε Gauss ή Tesla.Σε αντίθεση με τους μηχανικούς δείκτες πεδίου, οι μετρητές Hall-Effect χρησιμοποιούν ηλεκτρονικά εξαρτήματα, ενισχύοντας την ακρίβεια και την ευελιξία.Έχουν ένα μικρό στοιχείο αγωγού ή ημιαγωγού στην άκρη του καθετήρα.Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από αυτό το στοιχείο σε ένα μαγνητικό πεδίο, τα ηλεκτρόνια μετατοπίζονται στη μία πλευρά, δημιουργώντας μια διαφορά τάσης γνωστή ως τάση της αίθουσας, ένα φαινόμενο που ανακαλύφθηκε από τον Edwin H. Hall το 1879.

Εικόνα 10: Σχηματικό διάγραμμα του μετρητή Hall-Effect

Η σχέση που διέπει αυτή την τάση δίνεται από:

όπου:

• Το VH είναι η τάση της αίθουσας,

• Το I είναι το εφαρμοσμένο ρεύμα,

• Το Β είναι το κάθετο συστατικό μαγνητικού πεδίου,

• Το RH είναι ο συντελεστής αίθουσας,

• Το Β είναι το πάχος του στοιχείου της αίθουσας.

Οι μετρητές Hall-Effect έρχονται με διάφορους ανιχνευτές με εφαπτομενικά (εγκάρσια) ή αξονική ανίχνευση στοιχεία.Αυτοί οι ανιχνευτές, διαθέσιμοι σε διαφορετικά μεγέθη, είναι προσαρμοσμένοι σε συγκεκριμένες περιοχές μέτρησης, επιτρέποντας την ευελιξία σε διάφορα σενάρια.Οι ακριβείς αναγνώσεις εξαρτώνται από τη σωστή τοποθέτηση του ανιχνευτή, με μαγνητικές γραμμές δύναμης που διασταυρώνουν τις κύριες διαστάσεις του στοιχείου ανίχνευσης σε ορθή γωνία.Η ευελιξία των μετρητών Hall-Effect τους καθιστά κατάλληλη για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, από τη βιομηχανική παραγωγή έως την επιστημονική έρευνα.Οι ψηφιακές τους αναγνώσεις και η συμβατότητα με άλλα ψηφιακά συστήματα ενισχύουν τη χρησιμότητά τους σε σύγχρονα αυτοματοποιημένα περιβάλλοντα.Με την καταπολέμηση της τοποθέτησης του ανιχνευτή και τη φυσική της επίδρασης της αίθουσας, οι χρήστες μπορούν να εκμεταλλευτούν πλήρως αυτά τα προηγμένα μέσα για ακριβείς μετρήσεις μαγνητικού πεδίου.

Διαμήκη μαγνητικά πεδία

Τα διαμήκη μαγνητικά πεδία δημιουργούνται σε εξαρτήματα που είναι πολύ μεγαλύτερα από ό, τι είναι ευρεία.Αυτό γίνεται συνήθως τοποθετώντας το συστατικό κατά μήκος σε ένα συμπυκνωμένο μαγνητικό πεδίο μέσα σε ένα πηνίο ή ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, γνωστή ως "πυροβολισμό πηνίου".Μέσα στο στοιχείο, οι γραμμές μαγνητικής ροής είναι ευθεία, κινούνται από το ένα άκρο στο άλλο, αν και χάνεται κάποια ροή.Το διάγραμμα δείχνει αυτό σε δύο διαστάσεις, αλλά οι γραμμές ροής είναι στην πραγματικότητα τρισδιάστατες.Τα σιδηρομαγνητικά υλικά έχουν πολύ υψηλότερη πυκνότητα γραμμής ροής σε σύγκριση με τον αέρα λόγω της υψηλότερης διαπερατότητας τους.

Καθώς η ροή αφήνει το υλικό στα άκρα και εισέρχεται στον αέρα, εξαπλώνεται, αφού ο αέρας δεν μπορεί να υποστηρίξει όσες γραμμές ροής ανά όγκο μονάδας.Αυτή η εξάπλωση προκαλεί ορισμένες γραμμές ροής να εξέλθουν από τις πλευρές του συστατικού.Όταν ένα συστατικό είναι πλήρως μαγνητισμένο κατά μήκος του, η απώλεια ροής είναι ελάχιστη, με αποτέλεσμα μια ομοιόμορφη πυκνότητα ροής.Όταν κάνετε μη καταστρεπτικές δοκιμές (NDT), η ομοιομορφία έχει σημασία όπου τα ελαττώματα κάθετα στις γραμμές ροής προκαλούν ένα ανιχνεύσιμο πεδίο διαρροής στην επιφάνεια.

Εικόνα 11: Διαμήκη μαγνητικό πεδίο

Ωστόσο, η χρήση ενός ηλεκτρομαγνητικού σώματος για να μαγνητοποιήσει ένα στοιχείο μπορεί να οδηγήσει σε μόνο ένα μέρος του να είναι έντονα μαγνητισμένο.Η περιοχή μέσα στην ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα και ένα μικρό περιθώριο σε κάθε πλευρά θα μαγνητοποιηθεί, ενώ πέρα ​​από αυτό, οι γραμμές ροής αφήνουν το στοιχείο και θα επιστρέψουν στους πόλους της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας.Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η δύναμη μαγνητισμού εξασθενεί με απόσταση από την ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, ευθυγραμμίζοντας τις μαγνητικές περιοχές μόνο μέσα και κοντά σε αυτήν.Το μηγνισμένο τμήμα του συστατικού δεν μπορεί να υποστηρίξει τόσο πολύ τη ροή όσο το μαγνητισμένο τμήμα, αναγκάζοντας κάποια ροή από το συστατικό.Για να επιθεωρήσουν διεξοδικά τα μακρά συστατικά, πρέπει να μαγνητοποιούνται και να επιθεωρούνται σε πολλαπλές θέσεις κατά μήκος του μήκους τους.

Εγκύκλιος μαγνητικά πεδία

Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσω ενός στερεού αγωγού, παράγει ένα μαγνητικό πεδίο γύρω από τον αγωγό.Η κατανομή και η ένταση του πεδίου εξαρτώνται από διάφορους παράγοντες.Στο κέντρο του αγωγού, η δύναμη του πεδίου είναι μηδενική, φτάνοντας το μέγιστο στην επιφάνεια.Για ένα σταθερό ρεύμα, η αντοχή του επιφανειακού πεδίου μειώνεται καθώς αυξάνεται η ακτίνα του αγωγού, αν και ένας μεγαλύτερος αγωγός μπορεί να μεταφέρει περισσότερο ρεύμα.Εκτός από τον αγωγό, η δύναμη του πεδίου είναι άμεσα ανάλογη με το ρεύμα, ενώ στο εσωτερικό εξαρτάται από το ρεύμα, τη μαγνητική διαπερατότητα του υλικού και τη θέση του στην καμπύλη B-H.Η δύναμη του πεδίου εκτός του αγωγού μειώνεται με απόσταση.

Σε έναν μη μαγνητικό αγωγό που μεταφέρει άμεσο ρεύμα (DC), η εσωτερική δύναμη του πεδίου αυξάνεται από το μηδέν στο κέντρο σε ένα μέγιστο στην επιφάνεια, ενώ η εξωτερική ισχύς πεδίου μειώνεται με απόσταση από την επιφάνεια.Σε μαγνητικά υλικά, η αντοχή του εσωτερικού πεδίου είναι υψηλότερη λόγω της διαπερατότητας του υλικού.Η αντοχή του εξωτερικού πεδίου παραμένει η ίδια και για τα δύο υλικά εάν η ακτίνα ρεύματος και αγωγού είναι πανομοιότυπη.

Με το εναλλασσόμενο ρεύμα (AC), η εσωτερική ισχύς πεδίου αυξάνεται επίσης από το μηδέν στο κέντρο σε ένα μέγιστο στην επιφάνεια, αλλά συγκεντρώνεται σε ένα λεπτό στρώμα κοντά στην επιφάνεια, γνωστή ως "επίδραση του δέρματος".Το εξωτερικό πεδίο μειώνεται με απόσταση, παρόμοια με το DC.Σε κοίλους κυκλικούς αγωγούς, δεν υπάρχει μαγνητικό πεδίο στην κενή περιοχή.Η αντοχή του πεδίου ξεκινά από το μηδέν στον εσωτερικό τοίχο και φτάνει το μέγιστο στο εξωτερικό τοίχο.Όπως και με τους στερεούς αγωγούς, τα μαγνητικά υλικά δείχνουν μεγαλύτερη αντοχή στον τομέα λόγω της διαπερατότητάς τους, με το εξωτερικό πεδίο να μειώνεται με απόσταση από την επιφάνεια.

Σε κοίλους αγωγούς που φέρουν AC, το αποτέλεσμα του δέρματος συγκεντρώνει το μαγνητικό πεδίο στην εξωτερική διάμετρο.Η αντοχή του πεδίου στην εσωτερική επιφάνεια ενός κοίλου αγωγού είναι πολύ χαμηλή όταν ένα κυκλικό μαγνητικό πεδίο καθορίζεται με άμεση μαγνητισμό.Έτσι, η άμεση μέθοδος δεν συνιστάται για την επιθεώρηση του τοιχώματος εσωτερικής διαμέτρου (ID) ενός κοίλου συστατικού για ρηχά ελαττώματα.Η ισχύς του πεδίου αυξάνεται γρήγορα από την ταυτότητα προς τα έξω, καθιστώντας τα βαθύτερα ελαττώματα ανιχνεύσιμα.

Μια καλύτερη μέθοδος για τη μαγνητοποίηση των κοίλων εξαρτημάτων για την επιθεώρηση τόσο των επιφανειών ID όσο και εξωτερικής διαμέτρου (OD) χρησιμοποιεί έναν κεντρικό αγωγό.Η διέλευση του ρεύματος μέσω ενός μη μαγνητικού κεντρικού αγωγού, όπως μια χαλκού ράβδου, δημιουργεί ένα ισχυρότερο μαγνητικό πεδίο στην επιφάνεια ID ενός μαγνητικού σωλήνα διατηρώντας παράλληλα επαρκή αντοχή πεδίου για την ανίχνευση ελαττωμάτων στην επιφάνεια OD.

Εικόνα 12: κυκλικό μαγνητικό πεδίο

Μαγνητικά πεδία γύρω από τους αγωγούς

Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσω ενός αγωγού, ένα μαγνητικό πεδίο σχηματίζεται γύρω του.Αυτό το φαινόμενο μπορεί να αποδειχθεί χρησιμοποιώντας αρχειοθέτηση σιδήρου σε χαρτόνι με κατακόρυφο αγωγό που διέρχεται από αυτό.Χωρίς ρεύμα, δεν υπάρχει μαγνητικό πεδίο, αλλά με ρεύμα, οι καταθέσεις οργανώνουν σε ομόκεντρους δακτυλίους γύρω από τον αγωγό.Η κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου γύρω από έναν αγωγό ρεύματος μπορεί να διερευνηθεί χρησιμοποιώντας μαγνητικές πυξίδες.Ανάλογα με την κατεύθυνση του ρεύματος, οι βελόνες πυξίδας ευθυγραμμίζονται ανάλογα, είτε δεξιόστροφα είτε αριστερόστροφα.Ο κανόνας του δεξιού βιδωτού και ο κανόνας του δεξιού παρέχει διαισθητικούς τρόπους για τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης της μαγνητικής ροής γύρω από έναν αγωγό.Όταν δύο αγωγοί φέρουν ρεύματα σε αντίθετες κατευθύνσεις, τα μαγνητικά πεδία τους αντιτίθενται μεταξύ τους, δημιουργώντας μια απωθητική δύναμη.Εάν τα ρεύματα ρέουν προς την ίδια κατεύθυνση, τα μαγνητικά πεδία συνδυάζονται, ασκώντας μια ελκυστική δύναμη στους αγωγούς.

Όταν ένα καλώδιο φέρει ένα ρεύμα, οι γραμμές μαγνητικού πεδίου γύρω από αυτό σχηματίζουν σχεδόν τέλειους κύκλους.Αυτοί οι κύκλοι, με επίκεντρο το σύρμα, δείχνουν πώς εξαπλώνεται το μαγνητικό πεδίο από το σύρμα.Όσο περαιτέρω πηγαίνετε από το σύρμα, τόσο πιο αδύναμο γίνεται το μαγνητικό πεδίο.Εάν το σύρμα σχηματίζει ένα βρόχο, οι κύκλοι γίνονται μεγαλύτεροι καθώς μετακινείτε προς το κέντρο του βρόχου.Αυτό σημαίνει ότι το μαγνητικό πεδίο εξαπλώνεται περισσότερο.Κοντά στο κέντρο, αυτοί οι κύκλοι αλλάζουν σε ευθείες, παράλληλες γραμμές, δείχνοντας ότι το μαγνητικό πεδίο εδώ είναι ομοιόμορφο.Αυτή η ομοιομορφία διευκολύνει τον υπολογισμό και τη χρήση του μαγνητικού πεδίου στην τεχνολογία και την επιστήμη.

Εικόνα 13: Αγωγός μεταφοράς μαγνητικού πεδίου

Στο κέντρο του βρόχου, το μαγνητικό πεδίο είναι σχεδόν η ίδια δύναμη παντού.Αυτό το ακόμη πεδίο είναι καλό για πράγματα όπως μηχανές μαγνητικής τομογραφίας, όπου ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο είναι απαραίτητο για ακριβή απεικόνιση.Παρέχει επίσης μια σταθερή περιοχή για πειράματα που εξαρτώνται από ένα προβλέψιμο μαγνητικό πεδίο.Η αντοχή του μαγνητικού πεδίου στο κέντρο του βρόχου εξαρτάται από το ρεύμα που ρέει μέσω του καλωδίου.Περισσότερο ρεύμα σημαίνει ένα ισχυρότερο μαγνητικό πεδίο.Η ισχύς του μαγνητικού πεδίου είναι ισχυρότερη εάν ο βρόχος είναι μικρότερος και ασθενέστερος εάν ο βρόχος είναι μεγαλύτερος.

Μαγνητικά πεδία γύρω από πηνία

Περνώντας ένα ρεύμα μέσα από ένα πηνίο, ακόμη και με μία στροφή, δημιουργεί μια μαγνητική ροή μέσα από το κέντρο του πηνίου, δίνοντάς του βόρεια και νότιους πόλους σαν ένα μικρό μαγνήτη.Όταν το πηνίο έχει πολλαπλές στροφές, σχηματίζοντας μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, τα μεμονωμένα μαγνητικά πεδία συνδέονται, δημιουργώντας ένα ενοποιημένο πεδίο παρόμοιο με έναν μαγνήτη ράβδων.Ο κανόνας του δεξιού χέρι μπορεί να καθορίσει την κατεύθυνση της ροής σε μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, όπου η κατεύθυνση ροής ρεύματος και η μαγνητική ροή αλληλοσυνδέονται.

Εικόνα 14: Μαγνητικά πεδία γύρω από πηνία

Όταν η ηλεκτρική ενέργεια κινείται μέσα από ένα καλώδιο, δημιουργεί ένα κυκλικό μαγνητικό πεδίο γύρω από αυτό.Αυτή η βασική ιδέα στον ηλεκτρομαγνητισμό είναι γνωστή ως το μαγνητικό πεδίο από έναν αγωγό ρεύματος.Μπορείτε να υπολογίσετε την κατεύθυνση αυτού του μαγνητικού πεδίου χρησιμοποιώντας τον κανόνα δεξιά: Εάν τοποθετείτε τον δεξί σας αντίχειρα προς την κατεύθυνση του ρεύματος, τα δάχτυλά σας θα γυρίσουν προς την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου.Αυτό το πεδίο μπορεί να προκαλέσει αξιοσημείωτα αποτελέσματα, όπως η μετακίνηση της βελόνας μιας μαγνητικής πυξίδας, δείχνοντας πώς αλληλεπιδρούν τα ηλεκτρικά ρεύματα και τα μαγνητικά πεδία.

Η αντοχή του μαγνητικού πεδίου εξαρτάται από δύο κύριους παράγοντες: πόσο μακριά είστε από το καλώδιο και πόσο ισχυρό είναι το ρεύμα.Το πεδίο είναι ισχυρότερο όταν είστε πιο κοντά στο σύρμα και γίνεται ισχυρότερο καθώς το ρεύμα αυξάνεται.Αυτό δείχνει ότι η ισχύς του μαγνητικού πεδίου σχετίζεται άμεσα με το ρεύμα.

Ένα πηνίο σύρματος (ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα)

Εικόνα 15: Μαγειτικό πεδίο ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας

Μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα είναι ένα πηνίο σύρματος που καθιστά το μαγνητικό πεδίο ισχυρότερο όταν η ηλεκτρική ενέργεια ρέει μέσα από αυτό.Η ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα γίνεται με το περιτύλιγμα ενός καλωδίου σε ένα σπειροειδές σχήμα, δημιουργώντας ένα μαγνητικό πεδίο σαν μαγνήτη μπαρ.Μέσα στο σωληνοειδές, το μαγνητικό πεδίο είναι ισχυρό και ακόμη και επειδή τα μικρά πεδία από κάθε πηνίο προστίθενται.Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τον δεξιό κανόνα για να βρείτε την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας: Εάν τα δάχτυλά σας δείχνουν προς την κατεύθυνση του ρεύματος, ο αντίχειρας σας δείχνει στον βόρειο πόλο του ηλεκτρομαγνήτη.

Το μαγνητικό πεδίο μιας ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας είναι παρόμοιο με έναν μαγνήτη ράβδων και αλλάζει κατεύθυνση όταν το ρεύμα αντιστρέφει, δείχνοντας πώς μπορούν να αλλάξουν ηλεκτρομαγνητικά πεδία.Ο τύπος για το μαγνητικό πεδίο μέσα σε μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα είναι b = μ₀ni, όπου n είναι ο αριθμός των πηνίων ανά μονάδα μήκους και το i είναι το ρεύμα.Αυτός ο τύπος δείχνει ότι η προσθήκη περισσότερων πηνίων ή η αύξηση του ρεύματος καθιστά το μαγνητικό πεδίο ισχυρότερη.Οι ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες χρησιμοποιούνται σε μηχανήματα, σαρωτές μαγνητικής τομογραφίας και πειράματα φυσικής επειδή δημιουργούν ισχυρά, ομοιόμορφα μαγνητικά πεδία.

Ο αγωγός μεταφοράς ρεύματος διαμορφώθηκε σε πηνίο

Εικόνα 16: Επίδραση στροφής ενός πηνίου ρεύματος σε μαγνητικό πεδίο

Όταν ένα καλώδιο που μεταφέρει το ρεύμα διαμορφώνεται σε βρόχο ή σειρά βρόχων, δημιουργεί ένα μοναδικό μαγνητικό πεδίο.Αυτό το πεδίο περνάει από το κέντρο του πηνίου και κύκλων πίσω γύρω από το εξωτερικό.Τα πεδία από κάθε βρόχο συνδυάζονται για να δημιουργήσουν ένα συγκεντρωμένο πεδίο κατά μήκος του κέντρου του πηνίου.Σε σφιχτά πηνία τραυματισμού, αυτό κάνει το μαγνητικό πεδίο μέσα σε πολύ ομοιόμορφη.Η δύναμη αυτού του πεδίου εξαρτάται από το ρεύμα και τον αριθμό των βρόχων.Περισσότεροι βρόχοι καθιστούν το πεδίο ισχυρότερο, γι 'αυτό και μακρά, ίσια πηνία (ηλεκτρομαγνητικά σώματα) είναι αποτελεσματικά στη δημιουργία ισχυρών, ομοιόμορφων πεδίων όπως ένας μαγνήτης μπαρ.

Το ισχυρό, ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο μέσα σε μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα είναι χρήσιμο για μαγνητικά υλικά και χρησιμοποιείται σε ηλεκτρικά κυκλώματα, μετασχηματιστές και άλλες συσκευές.Το μαγνητικό πεδίο έξω από το πηνίο είναι αδύναμο, το οποίο δεν είναι χρήσιμο για τη μαγνήτιση.Αυτό δείχνει τη σημασία του εσωτερικού πεδίου της σωληνοειδούς για πρακτικές χρήσεις.Οι ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες χρησιμοποιούνται επίσης σε επιταχυντές και αισθητήρες σωματιδίων, αποδεικνύοντας το ευρύ φάσμα εφαρμογών τους στην τεχνολογία και την επιστήμη.

Ρύθμιση μαγνητικού πεδίου

Τα μαγνητικά πεδία δημιουργούνται κάθε φορά που ρέει το ηλεκτρικό ρεύμα μέσω καλωδίου ή πηνίου.Ο κανόνας του δεξιού προσδιορισμού βοηθά στον προσδιορισμό της κατεύθυνσης του μαγνητικού πεδίου: Σημειώστε τον δεξί σας αντίχειρα προς την κατεύθυνση του ρεύματος και τα δάχτυλά σας θα γυρίσουν προς την κατεύθυνση των γραμμών μαγνητικού πεδίου.

Για να φτιάξετε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, πρέπει να χρησιμοποιήσετε τον ηλεκτρομαγνητισμό.Ένα ηλεκτρομαγνήτη συνδυάζει ένα ηλεκτρικό ρεύμα με μαγνητικό υλικό, συνήθως σίδηρο, για να ενισχύσει το μαγνητικό αποτέλεσμα.Αυτό χρησιμοποιείται σε πολλά πράγματα, από μικρές συσκευές σε μεγάλα μηχανήματα που ανυψώνουν τα βαρέα μεταλλικά αντικείμενα.Η αντοχή του μαγνητικού πεδίου εξαρτάται από το πόσες φορές το καλώδιο είναι τυλιγμένο γύρω από τον πυρήνα, την ποσότητα του ηλεκτρικού ρεύματος και τις ιδιότητες του υλικού σύρματος και του πυρήνα.

Ξεκινήστε επιλέγοντας ένα κομμάτι σιδήρου, όπως μια ράβδο που έχει μήκος έξι έως οκτώ ίντσες, όπως ένα μεγάλο καρφί.Το μέγεθος της ράβδου σιδήρου μπορεί να ποικίλει ανάλογα με το τι χρειάζεστε το ηλεκτρομαγνήτη για.Μόλις έχετε τον πυρήνα, τυλίξτε το σφιχτά με μαγνητικό σύρμα από το ένα άκρο στο άλλο.Το σύρμα πρέπει να τραυματίσει στενά και με ασφάλεια, με κάποιο σύρμα αριστερό να κρέμεται χαλαρά σε κάθε άκρο για συνδέσεις.Κάντε το καλώδιο σταθερά στη ράβδο.

Πριν από τη σύνδεση του ηλεκτρομαγνήτη σε μια πηγή τροφοδοσίας, αφαιρέστε τη μόνωση από την τελευταία ίντσα κάθε καλωδίου.Ζεσταίνετε τη μόνωση με αναπτήρα ή αντιστοίχιση μέχρι να είναι αρκετά μαλακό για να αφαιρέσετε, στη συνέχεια, καθαρίστε οποιοδήποτε υπόλειμμα με ένα πανί για μια καλή ηλεκτρική σύνδεση.Συνδέστε τα εκτεθειμένα σύρματα σε μια μπαταρία φανάρι.Αυτή η ρύθμιση επιτρέπει το ρεύμα να ρέει μέσω του καλωδίου, δημιουργώντας ένα μαγνητικό πεδίο γύρω από τον πυρήνα σιδήρου, δείχνοντας τα βασικά του ηλεκτρομαγνητισμού στην παραγωγή ενός ισχυρού μαγνητικού πεδίου.

Υπάρχουν δύο κύριοι τρόποι δημιουργίας ισχυρών μαγνητικών πεδίων.Το πρώτο χρησιμοποιεί μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, ένα πηνίο σύρματος που κάνει ένα μαγνητικό πεδίο όταν το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσα από αυτό.Ο δεύτερος τρόπος είναι να τοποθετήσετε έναν πυρήνα σιδήρου μέσα στην ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, γεγονός που καθιστά το μαγνητικό πεδίο πολύ ισχυρότερο με τη μείωση της μαγνητικής αντίστασης.Ο πυρήνας του σιδήρου έχει ένα όριο στο πόσο ισχυρό μπορεί να κάνει το μαγνητικό πεδίο, γνωστό ως κορεσμό.Μόλις φτάσει σε αυτό το σημείο, δεν μπορεί να κάνει το πεδίο ισχυρότερο.Πρόκειται για ιδιότητα του ίδιου του σιδήρου και ακόμη και με συνεχή έρευνα, η εύρεση ενός υλικού που μπορεί να ξεπεράσει την αξία κορεσμού του σιδήρου είναι απίθανη.Ως εκ τούτου, η αντοχή του μαγνητικού πεδίου περιορίζεται από τις ιδιότητες του πυρήνα του σιδήρου και οι νέες λύσεις υπερβαίνουν αυτά τα όρια.

Εφαρμογές μαγνητικών πεδίων

Τα μαγνητικά πεδία έχουν πολλές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, της ιατρικής απεικόνισης και της μεταφοράς.Είναι κύριο μέρος στις λειτουργίες μηχανών MRI και να εκπαιδεύσουν την αφαίρεση.Οι μαγνήτες αποθηκεύουν δεδομένα σε σκληρούς δίσκους και πιστωτικές κάρτες, παίζοντας ρόλο στη σύγχρονη τεχνολογία.Το μαγνητικό πεδίο της Γης μας προστατεύει από την επιβλαβή κοσμική ακτινοβολία, υπογραμμίζοντας τη σημασία της για τη ζωή.Οι ευρείες εφαρμογές των μαγνητικών πεδίων υπογραμμίζουν τη σημασία τους στην καθημερινή ζωή και τις προηγμένες επιστημονικές προσπάθειες.

Σύναψη

Τα μαγνητικά πεδία είναι χρήσιμα σε πολλές επιστημονικές και τεχνολογικές περιοχές, από τις βασικές αρχές της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων σε υλικά έως τις προηγμένες χρήσεις στην ιατρική απεικόνιση και την αποθήκευση δεδομένων.Ο ακριβής χειρισμός και η μέτρηση των μαγνητικών πεδίων οδήγησαν σε σημαντικές εξελίξεις, συμπεριλαμβανομένης της ανάπτυξης συσκευών ηλεκτροφωταύγειας, αποτελεσματικής παραγωγής ενέργειας και προηγμένων συστημάτων μεταφορών.Η μελέτη μαγνητικών πεδίων γύρω από τους αγωγούς και τους πηνία παρέχει πληροφορίες για τον ηλεκτρομαγνητισμό, επιτρέποντας τη δημιουργία συσκευών με προβλέψιμες και ελεγχόμενες μαγνητικές ιδιότητες.Τεχνικές όπως ο κανόνας δεξιού και οι αρχές της επαγωγής είναι καλές για το σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση αυτών των συσκευών.Οι μέθοδοι για τη δημιουργία ισχυρών μαγνητικών πεδίων, όπως η χρήση ηλεκτρομαγνητικών προϊόντων και πυρήνων σιδήρου, δείχνουν τη συνεχιζόμενη καινοτομία στην ηλεκτρομαγνητική τεχνολογία.Οι εφαρμογές των μαγνητικών πεδίων υπερβαίνουν τις βιομηχανικές και τεχνολογικές χρήσεις, υπογραμμίζοντας τη σημασία τους στην καθημερινή ζωή και την επιστημονική έρευνα.Η κατανόηση των μαγνητικών πεδίων όχι μόνο προωθεί την επιστημονική γνώση αλλά και οδηγεί την καινοτομία σε πολλούς τομείς, αποδεικνύοντας τη σημασία της κυριαρχίας των ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων.

Συχνές ερωτήσεις [FAQ]

1. Πώς θα περιγράψετε το μαγνητικό πεδίο γύρω από το πηνίο;

Το μαγνητικό πεδίο γύρω από ένα πηνίο, επίσης γνωστό ως ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, είναι παρόμοιο με το πεδίο ενός μαγνήτη μπαρ.Μέσα στο πηνίο, οι γραμμές μαγνητικού πεδίου είναι παράλληλες, πυκνές και ομοιόμορφα απόσταση, υποδεικνύοντας ένα ισχυρό και ομοιόμορφο πεδίο.Έξω από το πηνίο, οι γραμμές μαγνητικού πεδίου εξαπλώνονται και βρουν πίσω από το ένα άκρο του πηνίου στο άλλο, σχηματίζοντας κλειστούς βρόχους.Η κατεύθυνση των γραμμών πεδίου καθορίζεται από την κατεύθυνση του ρεύματος που ρέει μέσω του πηνίου, ακολουθώντας τον κανόνα του δεξιού.

2. Ποιο είναι το μαγνητικό πεδίο γύρω από τον αγωγό;

Όταν το ρεύμα ρέει μέσα από έναν ευθεία αγωγό, δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο γύρω του.Αυτό το πεδίο σχηματίζει ομόκεντρους κύκλους γύρω από τον αγωγό, με την κατεύθυνση των γραμμών πεδίου που δίνεται από τον κανόνα του δεξιού: εάν κατανοήσετε τον αγωγό με το δεξί σας χέρι, έτσι ώστε ο αντίχειρας σας προς την κατεύθυνση του ρεύματος, τα δάχτυλά σας θα μπούκουντην κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου.Η δύναμη του μαγνητικού πεδίου μειώνεται καθώς απομακρύνεστε από τον αγωγό.

3. Τι προκαλεί το σχηματισμό ενός μαγνητικού πεδίου γύρω από έναν αγωγό;

Ένα μαγνητικό πεδίο σχηματίζεται γύρω από έναν αγωγό λόγω της κίνησης των ηλεκτρικών φορτίων (ρεύμα).Όταν τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσω ενός αγωγού, παράγουν ένα μαγνητικό πεδίο κάθετα προς την κατεύθυνση της κίνησής τους.Πρόκειται για άμεση συνέπεια του κυκλικού νόμου του Ampère, ο οποίος συνδέει το μαγνητικό πεδίο γύρω από έναν αγωγό στο ηλεκτρικό ρεύμα που διέρχεται από αυτό.

4. Τι συμβαίνει εάν μετακινήσετε έναν μαγνήτη σε ένα πηνίο σύρματος;

Όταν ένας μαγνήτης μετακινείται σε ένα πηνίο καλωδίου, προκαλεί μια ηλεκτρομαγνητική δύναμη (EMF) στο πηνίο, δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό ρεύμα.Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως ηλεκτρομαγνητική επαγωγή, που ανακαλύφθηκε από τον Michael Faraday.Η κατεύθυνση του επαγόμενου ρεύματος εξαρτάται από την κατεύθυνση της κίνησης του μαγνήτη και τον προσανατολισμό του μαγνητικού πεδίου.Εάν ο μαγνήτης μετακινηθεί γρηγορότερα ή έχει ισχυρότερο μαγνητικό πεδίο, το επαγόμενο EMF και το ρεύμα θα είναι ισχυρότεροι.

5. Ποιο είναι το πρότυπο του μαγνητικού πεδίου γύρω από έναν αγωγό;

Το μοτίβο μαγνητικού πεδίου γύρω από έναν ευθεία αγωγό που φέρει ρεύμα χαρακτηρίζεται από ομόκεντρους κύκλους που επικεντρώνονται στον αγωγό.Εάν ο αγωγός είναι κάμπτος σε βρόχο, οι γραμμές πεδίου σχηματίζουν πιο πολύπλοκα σχέδια, με το πεδίο μέσα στο βρόχο να είναι ισχυρότερο και πιο συγκεντρωμένο.Για μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, το πεδίο μέσα είναι ομοιόμορφο και παράλληλο, ενώ έξω από αυτό μοιάζει με το πεδίο ενός μαγνήτη μπαρ.

6. Πώς θα μπορούσε να γίνει ισχυρότερο το μαγνητικό πεδίο γύρω από το πηνίο;

Για να κάνετε το μαγνητικό πεδίο γύρω από ένα πηνίο ισχυρότερο, μπορείτε:

Αυξήστε το ρεύμα που ρέει μέσω του πηνίου.

Προσθέστε περισσότερες στροφές στο πηνίο, αυξάνοντας τον αριθμό των βρόχων.

Τοποθετήστε έναν σιδηρομαγνητικό πυρήνα, όπως το σίδηρο, μέσα στο πηνίο για να ενισχύσετε το μαγνητικό πεδίο λόγω της υψηλής μαγνητικής διαπερατότητας του πυρήνα.

7. Πού είναι ένα μαγνητικό πεδίο ισχυρότερο;

Το μαγνητικό πεδίο είναι ισχυρότερο μέσα σε ένα πηνίο, ιδιαίτερα κοντά στο κέντρο, όπου οι γραμμές πεδίου είναι πιο συγκεντρωμένες και ομοιόμορφα παράλληλες.Σε έναν μαγνήτη ράβδων, το μαγνητικό πεδίο είναι ισχυρότερο στους πόλους, όπου οι γραμμές πεδίου συγκλίνουν και η πυκνότητα του πεδίου είναι υψηλότερη.