Энергия магнитного поля измеряется: Единицы измерения магнитных величин

Содержание

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


Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля тока

Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля тока

Подробности
Просмотров: 389

Самоиндукция

Каждый проводник, по которому протекает эл.ток, находится в собственном магнитном поле.

При изменении силы тока в проводнике меняется м.поле, т.е. изменяется магнитный поток, создаваемый этим током. Изменение магнитного потока ведет в возникновению вихревого эл.поля и в цепи появляется ЭДС индукции.

Это явление называется самоиндукцией.


Самоиндукция — явление возникновения ЭДС индукции в эл.цепи в результате изменения силы тока.

Возникающая при этом ЭДС называется ЭДС самоиндукции

Проявление явления самоиндукции

Замыкание цепи

При замыкании в эл.цепи нарастает ток, что вызывает в катушке увеличение магнитного потока, возникает вихревое эл.поле, направленное против тока, т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая нарастанию тока в цепи (вихревое поле тормозит электроны).

В результате Л1 загорается позже, чем Л2.

Размыкание цепи

При размыкании эл.цепи ток убывает, возникает уменьшение м.потока в катушке, возникает вихревое эл.поле, направленное как ток (стремящееся сохранить прежнюю силу тока) , т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая ток в цепи.

В результате Л при выключении ярко вспыхивает.

Вывод:

в электротехнике явление самоиндукции проявляется при замыкании цепи (электрический ток нарастает постепенно) и при размыкании цепи (электрический ток пропадает не сразу).

ИНДУКТИВНОСТЬ

От чего зависит ЭДС самоиндукции?

Электрический ток создает собственное магнитное поле. Магнитный поток через контур пропорционален индукции магнитного поля (Ф ~ B), индукция пропорциональна силе тока в проводнике

(B ~ I), следовательно магнитный поток пропорционален силе тока (Ф ~ I).

ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения силы тока в эл.цепи, от свойств проводника (размеров и формы) и от относительной магнитной проницаемости среды, в которой находится проводник.

Физическая величина, показывающая зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник, называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью.

Индуктивность — физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1Ампер за 1 секунду.

Также индуктивность можно рассчитать по формуле:

где Ф — магнитный поток через контур, I — сила тока в контуре.

Единицы измерения индуктивности в системе СИ:

Индуктивность катушки зависит от:

числа витков, размеров и формы катушки и от относительной магнитной проницаемости среды ( возможен сердечник).

ЭДС САМОИНДУКЦИИ

ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении цепи и убыванию силы тока при размыкании цепи.

ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ТОКА

Вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое обладает энергией.

Откуда она берется? Источник тока, включенный в эл.цепь, обладает запасом энергии.

В момент замыкания эл.цепи источник тока расходует часть своей энергии на преодоление действия возникающей ЭДС самоиндукции. Эта часть энергии, называемая собственной энергией тока, и идет на образование магнитного поля.

Энергия магнитного поля равна собственной энергии тока.

Собственная энергия тока численно равна работе, которую должен совершить источник тока для преодоления ЭДС самоиндукции, чтобы создать ток в цепи.

Энергия магнитного поля, созданного током, прямо пропорциональна квадрату силы тока.

Куда пропадает энергия магнитного поля после прекращения тока? — выделяется ( при размыкании цепи с достаточно большой силой тока возможно возникновение искры или дуги)

ВОПРОСЫ К ПРОВЕРОЧНОЙ РАБОТЕ

по теме «Электромагнитная индукция»

1. Перечислить 6 способов получения индукционного тока.

2. Явление электромагнитной индукции (определение).

3. Правило Ленца.

4. Магнитный поток ( определение, чертеж, формула, входящие величины, их ед. измерения).

5. Закон электромагнитной индукции (определение, формула).

6. Свойства вихревого электрического поля.

7. ЭДС индукции проводника, движущегося в однородном магнитном поле ( причина появления, чертеж, формула, входящие величины, их ед. измерения).

8. Самоиндукция (кратко проявление в электротехнике, определение).

9. ЭДС самоиндукции (ее действие и формула).

10. Индуктивность (определение, формулы, ед. измерения).

11. Энергия магнитного поля тока (формула, откуда появляется энергия м. поля тока, куда пропадает при прекращении тока).

Электромагнитное поле — Класс!ная физика


Взаимодействие токов. Магнитное поле. Вектор магнитной индукции. Сила Ампера —
Действие магнитного поля на движущийся заряд.Магнитные свойства вещества —
Явление электромагнитной индукции. Магнитный поток. Направление индукционного тока. Правило Ленца —
ЭДС электромагнитной индукции. Вихревое электрическое поле —
ЭДС индукции в движущихся проводниках

Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля. Вопросы к пр/работе

Энергия магнитного поля

      Рассмотрим случай, о котором мы уже говорили (рис. 5.6).

Рис. 5.6

      Сначала замкнем соленоид L на источник ЭДС , в нем будет протекать ток . Затем в момент времени  переключим ключ в положение 2 – замкнем соленоид на сопротивление R. В цепи будет течь убывающий ток I. При этом будет совершена работа:  ,  или

     


 
,
 (5.5.1) 

      Эта работа пойдет на нагревание проводников. Но откуда взялась эта энергия? Поскольку других изменений, кроме исчезновения магнитного поля в окружном пространстве, не произошло, остается заключить, что энергия была локализована в магнитном поле. Значит, проводник с индуктивностью L, по которой течет ток I, обладает энергией


 
,
 (5.5.3) 

      Выразим энергию магнитного поля через параметры магнитного поля. Для соленоида:

.

; отсюда

      Подставим эти значения в формулу (5.5.3):


 
,
 (5.5.4) 

      Обозначим w плотность энергии, или энергия в объеме V, тогда


 
,
 (5.5.5) 

      но т.к. , то


 
или
 (5.5.6) 

      Энергия однородного магнитного поля в длинном соленоиде может быть рассчитана по формуле


 
,
 (5.5.7) 

а плотность энергии


 
,
 (5.5.8) 

      Плотность энергии магнитного поля в соленоиде с сердечником будет складываться из энергии поля в вакууме и в магнетике сердечника:

,   отсюда     .

      Т.к. в вакууме , имеем

Контрольные вопросы

1.            Какие опыты Фарадея легли в основу открытия явления электромагнитной индукции?

2.            Что является причиной возникновения ЭДС индукции в замкнутом проводящем контуре? От чего и как зависит ЭДС индукции, возникающая в контуре?

3.            В чем заключается явление электромагнитной индукции?

4.            Почему для обнаружения индукционного тока лучше использовать замкнутый проводник в виде катушки, а не в виде одного витка провода?

5.            Сформулируйте правило Ленца, проиллюстрировав его примерами.

6.            Как направлен индукционный ток?

7.            Всегда ли при изменении магнитной индукции в проводящем контуре в нем возникает ЭДС индукции? индукционный ток?

8.            Чему равна ЭДС индукции контура?

9.            Сформулируйте закон Ома для контура.

10.        Как связано направление индукционного тока и направление скорости изменения потока магнитной индукции?

11.        Сформулируйте закон Фарадея для контура с током, состоящего из одного и нескольких витков.

12.        Возникает ли индукционный ток в проводящей рамке, поступательно движущейся в однородном магнитном поле?

13.        Покажите, что закон Фарадея есть следствие закона сохранения энергии.

14.        Какова природа ЭДС электромагнитной индукции?

15.        Выведите выражение для ЭДС индукции в плоской рамке, равномерно вращающейся в однородном магнитном поле. За счет чего ее можно увеличить?

16.        Что такое вихревые токи? Вредны они или полезны?

17.        Почему сердечники трансформаторов не делают сплошными?

18.        Какое явление называется скин-эффектом?

19.        Произведите классификацию ускорителей.

20.        Каковы параметры линейных ускорителей.

21.        Когда заряженная частица движется в магнитном поле по спирали? От чего зависит шаг спирали? Ответы подтвердите выводами формул.

22.        Что такое ускорители заряженных частиц? Какие они бывают и чем характеризуются?

23.        Почему для ускорения электронов не применяются циклотроны?

24.        В чем заключается принцип автофазировки? Где он используется?

25.        Когда ЭДС самоиндукции больше – при замыкании или размыкании цепи постоянного тока?

26.        В чем заключается физический смысл индуктивности контура? взаимной индуктивности двух контуров? От чего они зависят?

27.        В чем заключаются явления самоиндукции и взаимной индукции? Вычислите ЭДС индукции для обоих случаев.

28.        В чем заключается физический смысл времени релаксации ? Докажите, что  имеет размерность времени.

29.        Запишите и проанализируйте выражения для объемной плотности энергии электростатического и магнитного полей. Чему равна объемная плотность энергии электромагнитного поля?

30.        Напряженность магнитного поля возросла в два раза. Как изменилась объемная плотность энергии магнитного поля?

31.        Приведите соотношение между точками в первичной и вторичной обмотках повышающего трансформатора.

      В таблице 5.1 приведены сравнительные характеристики электрического и магнитного полей.

Таблица  5.1















Электрическое  поле

Формулы  и обозначения

Магнитное поле

Формулы и обозначения

Точечный заряд

Ток

Электрическая

постоянная

Магнитная постоянная

Диэлектрическая

проницаемость

Магнитная проницаемость

Диэлектрическая восприимчивость

Магнитная восприимчивость

Взаимодействие точечных зарядов

Взаимодействие токов

Силовая характеристика электрич. поля

Силовая характеристика магнитного поля

Принцип суперпозиции

Принцип суперпозиции

Поляризованностъ

Намагниченность

Электроемкость

проводника

Индуктивность катушки

Энергия заряженного конденсатора

Энергия катушки с током

Объемная плотность энергии

Объемная плотность энергии

Поток; вектора сквозь поверхность S

Поток вектора сквозь поверхность S

Циркуляция вектора

Циркуляция Вектора


Энергия магнитного поля — Студопедия

Энергия магнитного поля.

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

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

Энергия магнитного поля, создаваемого током в замкнутом контуре индуктивностью L, равна где I — сила тока в контуре.

Энергия магнитного поля катушки с индуктивностью L, создаваемого током I, равна

Проводник, по которому протекает электрический ток, всегда окружен магнитным полем, причем магнитное поле появляется и исчезает вместе с появлением и исчезновением тока. Магнитное поле, подобно электрическому, является носителем энергии. Естественно предположить, что энергия магнитного поля равна работе, которая затрачивается током на создание этого поля.

Рассмотрим контур индуктивностью L, по которому течет ток I. С данным контуром сцеплен магнитный поток (см. (126.1)) Ф = LI, причем при изменении тока на dI магнитный поток изменяется на dФ = LdI. Однако для изменения магнитного потока на величину dФ (см. § 121) необходимо совершить работу dА = IdФ = LIdI. Тогда работа по созданию магнитного потока Ф будет равна

Следовательно, энергия магнитного поля, связанного с контуром,

(130.1)

Исследование свойств переменных магнитных полей, в частности распространения электромагнитных волн, явилось доказательством того, что энергия магнитного поля локализована в пространстве. Это соответствует представлениям теории поля.



Энергию магнитного поля можно представить как функцию величин, характеризу­ющих это поле в окружающем пространстве. Для этого рассмотрим частный слу­чай — однородное магнитное поле внутри длинного соленоида. Подставив в формулу (130.1) выражение (126.2), получим

Так как I = Bl/(m0mN) (см. (119.2)) и В = m0mH (см. (109.3)), то

(130.2)

где Sl = V — объем соленоида.

Магнитное поле соленоида однородно и сосредоточено внутри него, поэтому энергия (см. (130.2)) заключена в объеме соленоида и распределена в нем с постоянной объемной плотностью

(130.3)

Выражение (130.3) для объемной плотности энергии магнитного поля имеет вид, аналогичный формуле (95.8) для объемной плотности энергии электростатического поля, с той разницей, что электрические величины заменены в нем магнитными. Формула (130.3) выведена для однородного поля, но она справедлива и для неоднород­ных полей. Выражение (130.3) справедливо только для сред, для которых зависимость В от Н линейная, т.е. оно относится только к пара- и диамагнетикам.



Магнитное поле проводника: определение плотности энергии

Одной из характеристик магнитного излучения, показывающей распределение его энергии в объеме пространства, является плотность энергии магнитного поля. При изучении электромагнетизма необходимо усвоить, что это за величина, что она характеризует и как измеряется.

Катушка или дроссель генерирует вокруг себя магнитное поле

Катушка или дроссель генерирует вокруг себя магнитное поле

Объемная плотность магнитной энергии

Формула нахождения объемной плотности энергии имеет такой вид:

ω=W/V.

Под ω здесь подразумевается собственно искомая плотность, под W – энергия имеющегося поля, под V – объем пространства, в котором поле проявляет активность. Если выразить значение W через магнитную проницаемость µ и индукцию В и подставить в формулу, она приобретет следующий вид:

ω=В2/2* µ0* µ (здесь µ0 – это магнитная постоянная).

Преобразование с использованием вектора индукции применяется, чтобы исключить привязку активного магнитного поля к особенностям дросселя. Формула для вычисления индукционной характеристики выглядит так:

B= µ0* µ*I*n.

I здесь – токовая сила в катушечной цепочке, через n выражается такая величина, как плотность обмотки. Она равна частному количества витков в соленоидной обмотке и длины фрагмента, на котором размещены витки. Тогда формула для W:

W= В2*V/2* µ0* µ.

Подставив выражение в основную формулу плотности, можно привести его к ранее обозначенному виду.

Наличие магнитного поля вокруг проводника или катушки с током

При подключении соленоида (катушки) в электрическую цепь вокруг нее формируется поле. Характеристики поля зависят от ряда параметров: от средовых особенностей окружения, токовой силы (она измеряется в амперах) и материала, из которого изготовлен проводник или обмотка катушки. В полевом пространстве могут образовываться электромагнитные волны. Так как на полевой энергетический потенциал, прежде всего, оказывает влияние сила текущего в системе электротока, можно сделать вывод, что работа тока по генерированию магнитного пространства будет эквивалентной энергии последнего. Если в систему подключена катушка с магнитным сердечником, то на энергетическую плотность будет влиять полевая энергия в вакууме и в материале, из которого сделан сердечниковый элемент.

Подключение индуктивной катушки к источнику тока

Подключение индуктивной катушки к источнику тока

Для изучения динамики явления можно рассмотреть электроцепь, включающую в себя дроссель, лампу, замыкающий ключ и источник постоянного электротока. Когда ключик замыкается, токовый путь будет идти от «положительного» зажима источника через лампу и индуктивную катушку. Поначалу лампа накаливания загорится ярче, что связано со значительной величиной сопротивления дроссели. По мере того, как сопротивление будет падать, а проходящий через обмотку ток увеличиваться, интенсивность горения лампочки будет понижаться. Связано это с тем, что первое время подаваемый на дроссель ток имеет значение, пропорциональное току высокой частоты.

Чтобы практически построить цепь, подходящую для расчета, нужно, чтобы энергетический ресурс источника питания затрачивался на генерирование магнитного поля. Поэтому параметрами внутреннего сопротивления дроссели и питательного источника допустимо пренебрегать.

Важно! Согласно второму закону Кирхгофа, сумма подсоединенных к электрической цепи напряжений равняется сумме снижений напряжения для всех компонентов цепочки.

Второй закон Кирхгофа

Второй закон Кирхгофа

Измерение плотности энергии магнитных полей

Данная величина показывает энергию, содержащуюся в единице объема окружающей среды, подпадающей под влияние поля. Обозначается она греческой буквой ω. Для вычисления применяется формула:

ω=W/V, в данном случае W – это полевая энергия в объеме пространства V.

Единица измерения плотности поля в международной системе СИ тоже выглядит как частное единиц, в которых измеряются эти величины: джоулей и кубических метров (Дж/м3). Показатель для аккумуляторов (ионных, свинцово-кислотных и других) указывают в прилагающейся документации.

Для соленоида, подсоединенного в электрическую цепь, оба составляющих этого частного можно выразить через следующие единицы:

  1. Значение энергетического ресурса поля будет равным уполовиненному произведению индуктивности соленоида на квадрат токовой силы в его обмотке:

W=L*I2/2.

  1. В качестве «пространства» рассматривается сама катушка, тогда V=S*l, где S – площадь сечения катушечного элемента в поперечнике, а l – его длина.

Тогда конечная формула принимает следующий облик:

ω=L*I2/2*S*l.

Формула индуктивного сопротивления катушки

Вычислить величину сопротивления дросселя XL можно, воспользовавшись следующей формулой:

XL=2πfL.

Здесь буква L обозначает параметр индуктивности дроссели, а f – токовую частоту. Исходя из этого выражения, поначалу попадающий на обмотку ток будет пропорциональным электротоку большой чистоты. В это время дроссель проявляет поведение, аналогичное ситуации цепного разрыва, с сильным повышением индуктивного сопротивления. С течением времени последнее падает до нулевого значения.

Вмонтированная в лампу нитка отличается высоким показателем сопротивления, тогда как активный показатель обмотки, напротив, стремится к нулю. Из-за этого возникает ситуация, когда почти весь цепной ток проходит через дроссель. Когда цепь размыкают при помощи ключа, лампа не затухает постепенно. Напротив, она сначала резко начинает гореть интенсивно, потом – медленно угасать. Чтобы лампа горела, требуется энергетический ресурс. Он поступает из магнитного поля, генерируемого индуктивной катушкой. Таким образом, дроссель проявляет себя источником самоиндукции.

В рассмотренном примере катушка с обмотками, подключенная в цепь, выступает как источник магнитного поля. Поскольку в такой ситуации это поле не является однородным, для выполнения расчетов необходимо использование показателя, характеризующего концентрацию и распределение энергии в поле. Можно заключить, что смысл введения параметра плотности поля состоит именно в этом.

Видео

Энергия магнитного поля

Магнитное
поле, подобно электрическому, является
носителем энергии. Естественно
предположить, что энергия магнитного
поля равна работе, которая затрачивается
источником тока на создание этого поля.

Рассмотрим
цепь, содержащую катушку индуктивностью
L
и сопротивлением Rк,
источник тока ε
с внутренним сопротивлением r
(рис. 125). Полное сопротивление цепи

R
= Rк
+ r.

При
замыкании цепи энергия источника тока
расходуется на преодоление омического
сопротивления и преодоление ЭДС
самоиндукции εс,
равной

εс= —

Здесь
i
– мгновенное значение силы тока, который
при включении изменяется от 0 до I.
Очевидно, что

или
ε
= iR – εc
= iR +
.

Умножим
обе части равенства на idt

εidt
= i2Rdt
+Lidi.

Здесь
εidt
– работа, совершаемая источником тока
за время dt;
Lidi
– энергия, расходуемая на создание
магнитного поля катушки, обладающей
индуктивностью L,
dW
= Lidi;
i2Rdt
– энергия, расходуемая на нагревание
проводника.

Полная
энергия магнитного поля W,
запасенная в катушке при нарастании
тока от 0 до I
будет

;

Если
потокосцепление катушки Ψ = LI,
то энергия магнитного поля будет

.

Выразим
энергию магнитного поля через его
характеристики В и Н.

Потокосцепление
Ψ = NBS;
напряженность поле в катушке Н = nI
=
,
откуда
.
Тогда,

где
V
=Sl
–объем катушки, в котором сосредоточено
практически все магнитное поле, энергия
которая равна
.

Учитывая,
что B
= μ μ0H,
получим

.

Объемная
плотность энергии магнитного поля —
отношение энергии поля к объему ==.

Единица
измерения Дж/ м3.

Магнитное поле в веществе.

Все
вещества в той или иной мере обладают
магнитными свойствами. Поэтому все
вещества можно назвать магнетиками,
т.е. веществами, способными приобретать
во внешнем магнитном поле магнитные
свойства, иначе говоря, намагничиваться
и созда­вать собственное магнитное
поле. Магнитные свойства вещества
определяются магнитными свойствами
электронов и атомов веще­ства.

Движение электрона
в атоме по орбите радиуса r
эквива­лентно некоторому замкнутому
контуру с током. Магнитный момент ρm
контура с током равен ρm
= IS.
Площадь кон­тура S
= πr2,
а ток в нем I
= e
ν, где е – заряд электрона, ν – час­тота
вращения электрона. Тогда ρm
= IS
= eνπr2
. Если учесть, что скорость v
вращения электрона v
= 2 πrν,
а

Величина
ρm
называется орбитальным
магнитным моментом электрона
.

Электрон, движущийся
по орбите, обладает орбитальным
механическим моментом импульса L
= mvr.
Отношение орбиталь­ного магнитного
ρm
и механического L
моментов

называют
гиромагнитным
отношением

Знак минус означает,
что вектора ρm
и L

противоположны
по направлению (рис. 126).

Кроме орбитального
электрон обладает собственными магнитным
моментом ρms
и механическим Ls
моментами, для которых гиро­магнитное
отношение равно
.
Собственный механический мо­мент
электрона называют спином.
Спин и связанный с ним собст­венный
(спиновый) магнитный момент являются
такими же неотъ­емлемыми свойствами
электрона как его масса и заряд.

Магнитный момент
атома слагается из орбитальных и
соб­ственных моментов входящих в его
состав электронов (а также ядра). При
наложении внешнего магнитного поля
напряженностью Н
происходит определенная ориентация
атомов и молекул веще­ства, что приводит
к упорядоченному направлению векторов
ρmi
отдельных атомов и молекул магнетика,
в результате чего объем ΔV
магнетика приобретает определенный
суммарный магнитный момент, который
характеризуется вектором намагничивания
J

,

где n
–число атомов (молекул) в объеме ΔV.
Единица измерения J
[А/м ].

Число ориентированных
молекул и степень их ориентации
относи­тельно поля будут пропорциональны
Н, т.е. J
= χH,
где χ – магнит­ная восприимчивость
магнетика.

Магнитное
поле в веществе создается двумя типами
токов – макротоками и микротоками.
Макротоки – это токи проводимости,
образующиеся вследствие движения
свободных зарядов. Микро­токи – это
токи, обусловленные движением электронов
в атомах, молекулах или ионах. При
внесении магнетика во внешнее магнитное
поле с ин­дукцией В0
он намагничивается и создает собственное
магнитное поле с индукцией В‘.
Индукция В
результирующего поля после на­ложения
внешнего и собственного полей будет
равна В
= В0
+ В‘.
В зависимости от значения магнитной
проницаемости μ все вещества разделяют
на 3 группы: диамагнетики, парамагнетики
и ферромагнетики.

Диамагнетики
– это вещества, у которых μ < 1 и χ <
0. При наложении внешнего поля в них
возникает собственное поле, на­правленное
навстречу основному, т.е. векторы В0
и В
имеют про­тивоположное направление.
У диамагнетиков атомы вещества не
обладают магнитным моментом (векторная
сумма орбитальных и спиновых магнитных
моментов электронов в атоме равна нулю).
Однако при наложении на них внешнего
магнитного поля в них на­водится
некоторый магнитный момент, направленный
навстречу внешнему полю, что и приводит
к ослаблению внешнего магнит­ного
поля в объеме диамагнетика.

Парамагнетики
– это вещества, у которых суммарный
маг­нитный момент атомов (векторная
сумма орбитальных и спиновых магнитных
моментов электронов в атоме) отличен
от нуля. В таком веществе внешнее
магнитное поле не только индуцирует
магнит­ный момент, но и ориентирует
магнитные моменты атомов по на­правлению
поля несмотря на то, что тепловое движение
стремится разбросать их равномерно по
всем направлениям. Возникающий вследствии
ориентации атомов положительный
магнитный момент оказывается значительно
больше, чем отрицательный момент
(ин­дуцируемый вследствие прецессии
электронов как у диамагнети­ков).
Поэтому результирующий магнитный момент
оказывается по­ложительным, вещество
ведет себя как парамагнетик, у которого
μ > 1 и χ > 0.

Индукция
В результирующего поля в парамагнетике
будет выше, чем индукция внешнего поля
В0.
В = В0
+ В’.

Намагничивание
магнетика характеризуется вектором
на­магничивания J,
который имеет такую же размерность
[А/м], что и напряженность Н. Поэтому для
описания магнитного поля в магне­тиках
часто пользуются выражением

Вектор намагничивания
равен нулю в вакууме, а в веществе он
пропорционален Н.
J
= χH
и
откуда

Безразмерная
величина μ=1+χ называется относительной
маг­нитной проницаемостью среды. Так
как χ может быть положитель­ной и
отрицательной, то μ может быть меньше
единицы (у диамаг­нетиков) и больше
единицы (у парамагнетиков).

Ферромагнетики
– это особый класс веществ, намагничи­вание
которых во много раз (до 106)
превышает намагничивание диа-и
парамагнетиков. К ним относятся Fe,
Co,
Gd
и др., а также их сплавы и соединения.
Ферромагнитные свойства присущи только
кристаллам и объясняются их доменной
структурой
.
В кристаллах возникают области,
спонтанного (самопроизвольного)
намагничивания – до­мены. В пределах
домена ферромагнетик спонтанно намагничен
до насыщения и обладает определенным
магнитным моментом. На­правление этих
моментов у различных доменов ориентированы
произвольно, так что в отсутствие
внешнего магнитного моля сум­марный
магнитный момент всего тела равен нулю.
При наложении внешнего магнитного поля
0)
магнитные моменты доменов ори­ентируются
по направлению внешнего магнитного
поля, создавая собственное магнитное
поле, индукция которого В’ на много
больше В0,
а индук­ция суммарного поля В будет
равна В=В’+В0≃В’.

Для каждого
ферромагнетика имеется определенная
температура Тс,
называемая точкой Кюри, при значениях
выше которой области спонтанного
намагничивания (домены) распадаются, а
вещество утрачивает ферромагнитные
свойства. При температуре Т > Тс
ферромагнетик становится обычным
парамагнетиком, магнитная восприимчивость
которого χ подчиняется закону Кюри-Вейса

,

где с – постоянная
Кюри.

Намагничивание J
слабомагнитных диа-и парамагнетиков
линейно зависит от напряженности Н
внешнего поля. На рис. 127 показана
зависимость J(H)
для случая, когда J(0)
= 0.

Намагничение
достигает насыщения при некотором
значении Ннас
для данного
магнетика.

У ферромагнетиков
сложная зависимость J(H)
объясняется особенностью их доменной
структуры. По мере нарастания напряженности
внешнего магнитного поля увеличивается
степень ориентации внешних моментов
по направлению внешнего поля. При
достижении Н = Ннас
векторы магнитных моментов всех доменов
ориентированы параллельно полю и
намагничение дости­гает насыщения.
Для ферромагнетиков характерно наличие
гисте­резиса. Увеличивая напряженность
Н внешнего поля от Н = 0, можно довести
намагничение до насыщения (точка 1 на
рис. 128) при Н = Ннас.

Если затем уменьшать
напряженность Н, то намагничение будет
изменяться по кривой 1-2 (а не по кривой
0-1 как при увеличении Н). В результате,
когда напряженность внешнего поля Н
станет равной нулю (точка 2), намагничение
не исчезает и характеризуется величиной
Вr,
которая называется остаточной индукцией.
При этом намагничение имеет значение
Jr
и называется остаточным намагничением.
Намагничение обращается в нуль (точка
3) лишь под действием поля Нс,
имеющего направление противоположное
вызвавшему намагниче­ние. Напряженность
Нс
называется коэрцетивной силой.
Существо­вание остаточного намагничения
дает возможность изготовления постоянных
магнитов.

Индуктивность. Энергия магнитного поля — FizikatTYT

Индуктивность – это коэффициент пропорциональности между электрическим током, протекающим по замкнутому контуру, и магнитным потоком через поверхность, ограниченную контуром.

Математическая формула, соответствующая этому определению:

Ф = L*I

где Ф – магнитный поток,

L – индуктивность,

I – сила тока.

Это классическое определение индуктивности, принятое на начальном этапе изучения электромагнитных явлений. В нем отражено одно из проявлений индуктивности. Познакомившись с ним, можно подумать, что индуктивность – свойство небольшого класса объектов, неких замкнутых контуров, создающих магнитное поле. Это не так; проявления индуктивности многообразны, и мы сталкиваемся с ними в повседневной жизни, зачастую не сознавая этого.

В девятнадцатом веке ученые только начинали изучать электромагнитные явления. Понятие индуктивности, как особого свойства электропроводящего контура, сформулировано в 1886 году, при изучении постоянного тока.

Правило Ленца и индуктивность

Электрический ток создает магнитное поле – это была сенсация в девятнадцатом веке. Электрические и магнитные явления представлялись в прошлом совершенно разными явлениями, и открытие связи между ними вызвало горячий интерес исследователей. Магнитное поле казалось многоликим, присущим совершенно разным объектам – куску магнитной руды, Земному шару и… проводу с током. Сейчас известно, что в каждом из этих объектов магнитное поле порождается движением электрического заряда.

В современной науке установлена общая природа электрического и магнитного полей. При изучении постоянного тока был сделан первый шаг к пониманию этой истины – открыта связь между  током и магнитным полем, между силой тока и силой создаваемого им магнитного поля.

Символ L, которым обозначается индуктивность, выбран в честь физика Эмиля Ленца. Он изучал магнитные явления, возникающие при протекании электрического тока. Сила Ленца – это сила, действующая на проводник с током, помещенный в магнитное поле.

Ленц также наблюдал, как катушки из электрических проводов, по которым пропускался ток, притягивались или отталкивались, подобно постоянным магнитам. Притяжение или отталкивание? Это определялось направлением тока в витках, взаимным расположением катушек. А сила взаимодействия определялась количеством витков и силой тока. При одинаковом токе, катушка с большим числом витков создавала большее магнитное поле.

Контур с током и катушка индуктивности

Контур с током может быть одиночным (одновитковая катушка)

Контур с током может состоять из нескольких контуров (многовитковая катушка)

В электротехнике и радиотехнике применяются многовитковые катушки.

Чем больше витков, тем больше индуктивность катушки. Один и тот же ток, протекающий через одиночный виток и через многовитковую катушку, создаст разное по силе магнитное поле. У многовитковой катушки индуктивность больше, чем у одного витка; она пропорциональна количеству витков.

Когда нужно создать сильное магнитное поле, наматывают сотни и тысячи витков из тонкой медной проволоки. Такие катушки применяются в электромагнитах, трансформаторах, электродвигателях.

Индуктивность,  индукция, самоиндукция

Если обозначение индуктивности L выбрано в честь физика Ленца, то единица измерения индуктивности Генри (Гн) носит имя другого физика – Джозефа Генри.

Ленц исследовал магнитные явления, возникающие при наличии постоянного тока, а Генри занимался переменным током. Точнее, он рассматривал переходные процессы, возникающие при включении и выключении электрического тока.

Что происходит, когда ток в цепи, содержащей катушку индуктивности, включается? Он не возрастает мгновенно, а увеличивается плавно. Чем больше витков в катушке, тем более растянут во времени процесс нарастания тока. Но число витков влияет еще и на силу магнитного поля, создаваемого током в катушке!

Джозеф Генри установил связь этих явлений. Оказывается, чем больше индуктивность, тем более инерционный процесс возрастания тока при включении. Это можно сравнить с массой в механике: чем массивнее тело, тем дольше оно разгоняется при воздействии на него силы.

Почему в катушке тормозится увеличение тока? Мы наблюдаем здесь явление самоиндукции. Ведь ток создает магнитное поле, не так ли?

Но на этом преобразование полей не останавливается. Меняющееся магнитное поле создает электрическое поле! Если в поле находится проводник, в нем наводится электродвижущая сила.  Это явление названо электромагнитной индукцией.

Именно меняющееся, переменное магнитное поле способно создать электрическое поле и навести в проводнике электрический ток.

После того, как щелкнул выключатель, в цепи происходят такие процессы:

  1. Появляется и начинает увеличиваться электрический ток;
  2. Возрастающий электрический ток создает меняющееся магнитное поле;
  3. Переменное магнитное поле в том же самом проводнике наводит электрическое напряжение, противоположное приложенному;
  4. Наведенная магнитным полем электродвижущая сила, противоположная напряжению от источника, уменьшает суммарное напряжение, действующее на цепь, а ток соответствует уменьшенному напряжению.

Напряжение, наведенное магнитным полем в проводнике, называется ЭДС самоиндукции. Ток в проводнике является причиной возникновения противоположного напряжения в том же проводнике, то есть причиной торможения тока является сам ток; поэтому процесс назван самоиндукцией.

Величина ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения тока и от индуктивности:

Минус в формуле указывает на то, что в цепи возникает противо ЭДС, направленная так, чтобы тормозить изменение тока.

В соответствии с этой формулой, единицу индуктивности 1 Генри определили следующим образом:

Один Генри – это индуктивность, при которой скорость изменения тока, равная одному амперу в секунду, приводит к наведению ЭДС самоиндукции, равной одному вольту.

1Вольт = — 1 Генри * 1 Ампер/секунда, или

1В = — 1 Гн * 1А/с

Индуктивность как мера самоиндукции проще поддается измерению, чем индуктивность – как коэффициент между током и магнитным потоком. В благодарность за открытие явления самоиндукции физики присвоили имя Джозефа Генри единице измерения индуктивности.

Энергия магнитного поля

Магнитное поле обладает энергией. Магнитные силы совершают механическую работу, притягивая или отталкивая другие магниты или тела из магнитных материалов. Меняющееся магнитное поле индуцирует электрический ток в проводниках.

Магнитную энергию можно выразить через математическую формулу.  В предыдущем разделе упоминалась инерционность индуктивной цепи, ее роль в электромагнитных явлениях сравнивалась с ролью массы в механике. Интересно, что эта аналогия углубляется при рассмотрении энергии.

Формула энергии магнитного поля похожа на формулу кинетической энергии механического тела:

Энергия магнитного поля пропорциональна индуктивности и квадрату величины тока.

Во время переходного процесса, когда при включении ток в цепи замедленно нарастает, происходит накопление магнитной энергии. Эта энергия может использоваться для совершения работы. И эта энергия создает проблемы при выключении тока в цепи с большой индуктивностью.

Если ток уменьшать, возникнет ЭДС, замедляющая уменьшение тока. Но если ток выключить, резко разорвав цепь, скорость изменения тока от конкретного значения до нуля теоретически должна быть бесконечно велика. Это значит, ЭДС самоиндукции при выключении тока тоже должна быть бесконечно велика.

Этот математический парадокс возник из-за упрощенных идеализированных формул.  В реальности ток не прекращается мгновенно, размыкание контактов занимает некоторый короткий промежуток времени, но все равно скорость изменения тока велика, и наводится ЭДС значительной величины. Обычным явлением при выключении цепи является искрение. Если выключать ток в цепи с большой индуктивностью, то попытка резкого прекращения тока может стать причиной вспышки электрической дуги.

Что произойдет, если дуга не вспыхнула, а ток прекратился? Куда девалась энергия магнитного поля? Частично она перешла в тепловую энергию – контакты выключателя нагрелись. Остальная часть энергии магнитного поля, при его резком уменьшении до нуля, перешла в электромагнитную волну. Переменное магнитное поле индуцировало переменное электрическое поле; в свою очередь, переменное электрическое вызвало новую волну магнитного, и так далее.

Выключение тока простым щелчком выключателя – посылает в бесконечное пространство широкий «шумовой» спектр электромагнитных колебаний.

Распрямим провод — индуктивность остается

Первоначально индуктивность считали атрибутом контура или катушки. Причина этого – в способах измерения. Магнитный поток через контур или катушку локализован, его можно измерить (хотя точность измерений долгое время была невысокой). Если катушку раскрутить и провод выпрямить, и пропускать ток по прямому проводу, магнитное поле все равно возникнет. Но померить его поток непросто!

А что произойдет с самоиндукцией? Ток в прямом проводе возрастает быстрее, чем в катушке. Но если провод протянуть на несколько километров (построить линию электропередач), то явление самоиндукции наблюдается.  Возрастание тока, при его подаче в линию передач, происходит не мгновенно. Значит, прямой провод обладает индуктивностью, хотя и меньшей, чем катушка.

На рисунке показан проводник с током и силовые линии магнитного поля, имеющие форму окружностей.

Индуктивность и реактивное сопротивление

Катушка индуктивности может оказывать ничтожно малое сопротивление установившемуся постоянному току, но ее сопротивление переменному току значительно.  Такое сопротивление называется реактивным.

Реактивное сопротивление переводит энергию электрического тока в энергию электромагнитного поля. Если на цепь, обладающую индуктивностью L, подать переменное напряжение с частотой f, то реактивное сопротивление будет равно

Чем выше реактивное сопротивление, тем меньше будет переменный ток.

Реактивное сопротивление зависит от частоты. Элементы с маленькой индуктивностью создают ничтожно малое сопротивление на низких частотах, но при переходе от частоты 50 Герц к частоте 50 МГц (мегагерц) сопротивление возрастает в миллион раз.

При низких частотах не принимаются во внимание индуктивности небольших отрезков провода, но при сотнях мегагерц и при гигагерцах приходится учитывать даже индуктивность проволочных  выводов радиодеталей. В технике сверхвысоких частот применяются безкорпусные элементы, не имеющие проволочных выводов. Вместо них – контактные площадки, которые паяют на печатную плату.

Цепь с индуктивным сопротивлением, при подаче переменного тока, излучает электромагнитные волны. Но возможен и обратный процесс: при воздействии электромагнитного поля в индуктивности наводится переменный ток.

Стиральная машина и индуктивное сопротивление

Пользователи автоматических стиральных машин часто жалуются на то, что ток «пробивает на барабан».  Электрическая изоляция таких машин, как правило, в полном порядке, но все равно есть неприятное ощущение от прикосновения к металлическому барабану, при загрузке и выгрузке вещей.

Причина – в наведенном токе. Машина-автомат имеет блок питания, в котором сетевое напряжение преобразуется в высокочастотное.  Это высокочастотное напряжение наводится на все электропроводящие предметы, в частности на металлический барабан. Индуктивность барабана не нормируется, но наверняка она мала. Тем не менее, ток высокой частоты электронной схемы индуцирует на металлических частях стиральной машины отклик – небольшой ток.

Подобное явление иногда наблюдают пользователи современных водонагревателей с электронным управлением, греющих водопроводную воду.  Если блок питания в устройстве  оказывается близко к трубе с водой, на ней может наводиться переменный высокочастотный ток,  и вода из крана «щиплется». Избежать неприятных ощущений можно, отключив электрическое напряжение от котла.

Индуктивность человеческого тела

Наше тело является электрическим проводником,  а все проводники, в той или иной степени, обладают индуктивностью. Это значит, что мы подвержены воздействию электромагнитного поля, под его воздействием в нашем теле могут индуцироваться переменные токи.

Индуктивность человеческого тела значительно меньше. чем индуктивность антенны или дросселя, и небольшие электромагнитные поля практически не влияют на нас. Но чем выше мощность излучения, а главное – чем выше частота электромагнитного поля, тем воздействие сильнее. Сильное поле СВЧ диапазона представляет смертельную опасность.

Для защиты людей на производствах, связанных с сильными электромагнитными полями, применяют специальную экранирующую одежду, экранированные помещения. Существуют зоны, закрытые для посещения – вокруг мощных антенн, радиолокаторов.

Периодически появляется информация о вреде длительных разговоров по мобильному телефону, когда трубка прижата к голове. Телефон излучает высокочастотный электромагнитный сигнал небольшой мощности, из-за малой мощности его влияние незначительно. Но при длительном воздействии это излучение  может нанести вред здоровью. Использовать скайп, установленный на компьютер, предпочтительнее.

Магниты и электричество — Управление энергетической информации США (EIA)

Вращение электронов вокруг ядра атома создает крошечное магнитное поле. Электроны в большинстве объектов вращаются в случайных направлениях, и их магнитные силы нейтрализуют друг друга.

Магниты отличаются, потому что молекулы в магнитах расположены так, что их электроны вращаются в одном направлении. Такое расположение и движение создают магнитную силу, которая исходит от полюса, направленного на север, и от полюса, направленного на юг.Эта магнитная сила создает вокруг магнита магнитное поле .

Вы когда-нибудь держали два магнита близко друг к другу? Они не действуют как большинство предметов. Если вы попытаетесь столкнуть два северных полюса или два южных полюса вместе, они отталкиваются друг от друга. Но если вы сложите вместе северный и южный полюсы, магниты слипнутся, потому что северный и южный полюса притягиваются друг к другу. Как протоны и электроны — в магнитах притягиваются противоположности.

Магнитное поле вокруг стержневого магнита

Источник: Национальный проект развития энергетического образования (общественное достояние)

Из магнитных полей можно производить электричество

Свойства магнитов используются для производства электричества.Движущиеся магнитные поля притягивают и выталкивают электроны. Металлы, такие как медь и алюминий, имеют слабые электроны. Перемещение магнита вокруг катушки с проволокой или перемещение катушки с проволокой вокруг магнита толкает электроны в проволоке и создает электрический ток. Генераторы электричества по существу преобразуют кинетическую энергию (энергию движения) в электрическую.

Последнее обновление: 8 января 2020 г.

.

Насколько важно магнитное поле планеты? Новые дебаты поднимаются

У наших ближайших планетных соседей, Марса и Венеры, нет океанов, озер или рек. Некоторые исследователи предположили, что они были высушены солнечным ветром, и что наша Земля избежала этой участи, потому что ее сильное магнитное поле отклоняет ветер. Однако возникла дискуссия о том, является ли магнитное поле каким-либо экраном.

Противоречие возникло в результате недавних наблюдений, которые показывают, что Марс и Венера теряют ионы кислорода из своих атмосфер в космос примерно с той же скоростью, что и Земля.Это стало неожиданностью, поскольку только у Земли есть сильное диполярное магнитное поле, которое может предотвратить столкновение частиц солнечного ветра с верхними слоями атмосферы и непосредственное удаление ионов.

«Я считаю, что гипотеза магнитного щита недоказана», — сказал Роберт Стрэнджуэй из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «В современных данных нет ничего, что могло бы оправдать использование магнитных полей».

Каждая из трех планет каждый час теряет около тонны атмосферы в космос. Некоторая часть этого потерянного материала изначально была в форме воды, поэтому возникает вопрос: как планеты оказались с совершенно разным количеством воды, если все они «просачиваются» в космос с одинаковой скоростью?

«Проблема в том, чтобы взять сегодняшние ставки и попытаться угадать, что происходило миллиарды лет назад», — объяснила Джанет Луман из Калифорнийского университета в Беркли.Она считает, что магнитное поле Земли могло иметь значение в прошлом, когда солнечный ветер предположительно был сильнее.

«Люди не выкладывают все карты на стол», — сказал Луман. «Мы не можем сказать, что магнитные поля не важны из текущих данных».

И Луманн, и Стрейнджуэй согласны с тем, что для определения того, что делает одну планету влажной, а другую — сухой, потребуется больше данных о том, как потери в атмосфере зависят от солнечного излучения.

Магнитосфера Земли частично отклоняет солнечный ветер.(Изображение предоставлено НАСА)

Удары солнечного бриза

Основным двигателем выхода ионов из планетных атмосфер является солнечный ветер, который представляет собой высокоскоростной исходящий поток от Солнца, состоящий в основном из протонов и электронов. Поскольку эти частицы несут заряд, их траектория искривляется при встрече с магнитным полем.

Для немагниченных Марса и Венеры солнечный ветер в основном направляется прямо в верхние слои атмосферы, собирает ионы и уносит их в космос.Магнитное поле Варта создает барьер для солнечного ветра, называемый магнитосферой, но ионы по-прежнему уносятся окольным путем.

По сути, солнечный ветер, взаимодействуя с магнитным полем Земли, передает часть своей энергии в верхние слои атмосферы в полярных регионах. Полярные сияния, которые видны в высоких широтах, являются одним из проявлений этого переноса. Но он также нагревает ионы атмосферы до такой степени, что они ускользают из полюсов, образуя «потоки полярных ионов Земли».«

« Магнитное поле является препятствием для солнечного ветра, но оно также является воронкой », — говорит Стрейнджуэй. Воздействие солнечного ветра на Землю менее равномерное, чем на Марсе и Венере, но, очевидно, чистая скорость потерь составляет примерно то же самое.

Strangeway объясняет это с точки зрения количества движения. Солнечный ветер теряет часть своего импульса, когда сталкивается с любой планетой. [Фото: Северные наблюдатели Auroras Dazzle]

Основы физики предполагают, что этот импульс должен куда-то уйти, и согласно Стрэнджуэю, он входит в атмосферу полярного региона, чтобы возбуждать там ионы до скоростей, достаточных для выхода из гравитации Земли.Присутствие магнитного поля меняет механизм передачи импульса, но конечный результат аналогичен.

По крайней мере, так кажется сейчас.

Марс, Земля и Венера. Только Земля имеет активную магнитосферу, но все три мира теряют свои атмосферы с одинаковой скоростью.

Эквивалент потери воды

Планеты в настоящее время теряют несколько сотен граммов ионов в секунду, но эта потеря распространяется на очень большую область космоса, поэтому точное измерение является проблемой.Спутники на орбите вокруг Земли обнаружили высокоскоростные ионы, выходящие над полюсами, но ученые не уверены, сколько из них на самом деле убегает в космос, а не возвращается обратно в атмосферу через магнитосферу Земли.

Наблюдения за Марсом и Венерой было труднее получить. Марс Экспресс (вращающийся вокруг Марса с 2003 года) и Венера Экспресс (вращающийся вокруг Венеры с 2006 года) обеспечили гораздо лучшие ограничения, чем предыдущие планетные миссии.

«Сейчас скорости для трех планет примерно одинаковы для определенных ионов», — говорит Луманн.«Никто не обсуждает это».

Были измерены и другие ионы, убегающие в космос, помимо кислорода, такие как ионизированные молекулы монооксида углерода и диоксида углерода, которые также включают кислород. Ионы водорода тоже теряются, но их трудно отличить от протонов солнечного ветра.

Тем не менее, исследователи предполагают, что на каждый кислород выходит примерно два атома водорода. (Причина в том, что если бы это было не так, атмосфера давно бы стала сильно окислительной или восстановительной).Чистый эффект — потеря молекул h3O.

Исследователи переводят скорость потери ионов кислорода в эквивалентную скорость потери воды, а затем пытаются оценить, сколько воды было удалено с каждой планеты за их долгую историю.

Концепция художника: Исчезновение древнего магнитного поля могло спровоцировать исчезновение марсианской атмосферы. (Изображение предоставлено НАСА)

Марс — излюбленный пример, потому что геология планеты указывает на то, что на поверхности было большое количество жидкой воды 3.5 миллиардов лет назад. У нас меньше свидетельств о Венере, но она, вероятно, тоже была влажной в прошлом.

«У всех трех планет изначально был приличный водный бюджет, — сказал Луман.

Strangeway подсчитал, сколько воды каждая планета должна была потерять в космос, если предположить, что текущие темпы оставались неизменными в течение последних 3,5 миллиардов лет. Вообразив, что эта вода равномерно распределена по поверхности, Марс, Земля и Венера потеряли бы слой воды толщиной 30, 9 и 8 сантиметров соответственно.

«Это не так уж много», — признал Стрейнджуэй. Этого явно недостаточно, чтобы объяснить геологические особенности Марса.

Одно предостережение — это потеря нейтральных атомов, которые в значительной степени не обнаруживаются современными космическими приборами. Марс, вероятно, теряет намного больше нейтральных атомов, чем его аналоги. Это потому, что Марс меньше по размеру и, следовательно, имеет более слабое гравитационное влияние на его атмосферу. Определенные химические взаимодействия могут дать нейтральным атомам кислорода достаточную скорость, чтобы избежать гравитации Марса.

Эта потеря нейтральности может помочь объяснить, почему Марс сухой, но не может объяснить, почему Венера также без воды. Скорость убегания на Венере и Земле слишком высока, чтобы потеря нейтрали была значительной.

«Венера хитрее», — говорит Стрейнджуэй. Что-то должно было быть в прошлом другим, чтобы объяснить, почему на Венере в 100 000 раз меньше воды, чем на Земле.

Единственным отличием было солнце.

Солнечная изменчивость

У нас нет прямых записей истории Солнца, но астрономы могут изучать другие звезды, похожие на наше Солнце в более раннем возрасте.Эти молодые солнечные звезды кажутся более активными, возможно, с более сильными ветрами и большим количеством ультрафиолетового излучения. Следовательно, вполне вероятно, что в прошлом наше Солнце очищало планеты от их атмосферы более быстрыми темпами.

Луман утверждает, что магнитное поле Земли могло быть лучшим щитом от более активного Солнца. Для сравнения, потери на беззащитных Венере и Марсе могли бы увеличиться в тысячу или более раз по сравнению с Землей.

Strangeway не убежден.

«Я очень осторожен, — сказал он. «Я не знаю достаточно, чтобы сказать, как молодое Солнце будет взаимодействовать с планетным магнитным полем».

Солнце постоянно излучает опасную радиацию, но считается, что магнитное поле Земли защищает нас от большинства вредных воздействий. (Изображение предоставлено NASA / SOHO)

Один из способов исследовать роль магнитных полей в прошлом — наблюдать, что происходит сейчас во время солнечной бури, когда сильные порывы солнечного ветра. Несколько солнечных бурь (или, точнее говоря, «выбросы корональной массы») извергаются от Солнца каждый день во время пиков солнечного цикла, но только несколько бурь проходят над Землей каждый месяц.Когда они это сделают, спутники могут быть выбиты из строя, а радиация над полюсами может возрасти до опасного уровня.

На Земле солнечные бури также ускоряют атмосферную эрозию, но необходимы более точные измерения. Спутники ЕКА Cluster собирают данные о взаимодействии магнитосферы нашей планеты и солнечного ветра. Эта информация улучшит модели «погоды» в верхних слоях атмосферы, чтобы ученые могли лучше моделировать атмосферный улет и то, как это зависит от солнечного ветра и других факторов.

Что касается Марса, то предстоящая миссия НАСА Maven будет изучать потери ионов и нейтралов и проверять, изменяются ли эти скорости во время возмущений солнечной активности и солнечного ветра.

Если бы Strangeway угадал, он бы сказал, что данные покажут, что разница между намагниченными и немагнитными планетами будет небольшой. Но у него нет альтернативного механизма для охраны водоснабжения нашей планеты.

«Мы должны вернуться на круги своя», — сказал Стрейнджуэй.

Эта история была предоставлена ​​SPACE.com от журнала Astrobiology.

.

Высокоточное измерение магнитного поля — ScienceDaily

Исследователям из Института биомедицинской инженерии, который находится в ведении ETH Zurich и Цюрихского университета, удалось с беспрецедентной точностью измерить крошечные изменения сильных магнитных полей. В своих экспериментах ученые намагничили каплю воды внутри сканера магнитно-резонансной томографии (МРТ), устройства, которое используется для медицинской визуализации. Исследователи смогли обнаружить даже самые крошечные изменения напряженности магнитного поля внутри капли.Эти изменения были в триллион раз меньше, чем сила поля в семь тесла сканера МРТ, использованного в эксперименте.

«До сих пор было возможно измерить только такие небольшие вариации слабых магнитных полей», — говорит Клаас Прюссманн, профессор биоимиджинга в ETH Zurich и Цюрихском университете. Примером слабого магнитного поля является Земля, где напряженность поля составляет всего несколько десятков микротесла. По словам Прюссманна, для полей такого типа высокочувствительные методы измерения уже способны обнаруживать изменения примерно в триллионную часть напряженности поля.«Теперь у нас есть такой же чувствительный метод для сильных полей более чем в 1 тесла, который используется, в частности, в медицинской визуализации».

Новый датчик

Ученые основали сенсорную технику на принципе ядерного магнитного резонанса, который также служит основой для магнитно-резонансной томографии и спектроскопических методов, которые биологи используют для выяснения трехмерной структуры молекул.

Однако, чтобы измерить вариации, ученым пришлось построить новый высокоточный датчик, частью которого является высокочувствительный цифровой радиоприемник.«Это позволило нам снизить фоновый шум до чрезвычайно низкого уровня во время измерений», — говорит Саймон Гросс. Гросс написал докторскую диссертацию по этой теме в группе Прюссмана и является ведущим автором статьи, опубликованной в журнале Nature Communications .

Устранение антенных помех

В случае ядерного магнитного резонанса радиоволны используются для возбуждения атомных ядер в магнитном поле. Это заставляет ядра излучать собственные слабые радиоволны, которые измеряются с помощью радиоантенны; их точная частота указывает на силу магнитного поля.

Как подчеркивают ученые, было непросто сконструировать датчик таким образом, чтобы радиоантенна не искажала измерения. Ученые должны расположить его в непосредственной близости от капли воды, но поскольку он сделан из меди, он намагничивается в сильном магнитном поле, вызывая изменение магнитного поля внутри капли.

Поэтому исследователи придумали трюк: они отлили каплю и антенну в специально подготовленном полимере; его намагничиваемость (магнитная восприимчивость) точно соответствовала медной антенне.Таким образом, ученым удалось исключить пагубное влияние антенны на образец воды.

Ожидается широкое применение

Этот метод измерения очень малых изменений магнитных полей позволяет ученым теперь изучить причины таких изменений. Они ожидают, что их техника найдет применение в различных областях науки, некоторые из них — в области медицины, хотя большинство из этих приложений все еще находятся в зачаточном состоянии.

«В сканере МРТ молекулы в тканях тела получают минимальную намагниченность — в частности, молекулы воды, которые также присутствуют в крови», — объясняет докторант Гросс.«Новый датчик настолько чувствителен, что мы можем использовать его для измерения механических процессов в организме, например, сокращения сердца с биением».

Ученые провели эксперимент, в котором они разместили свой датчик перед грудью добровольца подопытного внутри сканера МРТ. Им удалось обнаружить периодические изменения магнитного поля, которое пульсировало вместе с сердцебиением. Кривая измерения напоминает электрокардиограмму (ЭКГ), но в отличие от последней измеряет механический процесс (сокращение сердца), а не электрическую проводимость.«Мы находимся в процессе анализа и совершенствования нашей техники измерения магнитометра в сотрудничестве с кардиологами и экспертами по обработке сигналов», — говорит Прюссманн. «В конечном итоге мы надеемся, что наш датчик сможет предоставлять информацию о сердечных заболеваниях — и делать это неинвазивно и в режиме реального времени».

Разработка лучших контрастных веществ

Новый метод измерения также может быть использован при разработке новых контрастных веществ для магнитно-резонансной томографии: в МРТ контраст изображения в значительной степени зависит от того, насколько быстро намагниченный ядерный спин возвращается в свое равновесное состояние.Специалисты называют этот процесс релаксацией. Контрастные вещества влияют на релаксационные характеристики ядерных спинов даже при низких концентрациях и используются для выделения определенных структур в теле.

В сильных магнитных полях проблемы чувствительности ранее ограничивали ученых измерением только двух из трех пространственных компонент ядерного спина и их релаксации. Им пришлось полагаться на косвенное измерение релаксации в важном третьем измерении. Впервые новый высокоточный метод измерения позволяет напрямую измерять все три измерения ядерного спина в сильных магнитных полях.

Прямое измерение всех трех компонент ядерного спина также открывает путь для будущих разработок в области спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для приложений в биологических и химических исследованиях.

История Источник:

Материалы предоставлены ETH Zurich . Оригинал написан Фабио Бергамином. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

.

Опасное воздействие магнитного поля возле трансформаторной подстанции в доме

Плотность магнитного потока в квартире

Трансформаторные подстанции, расположенные рядом с жилыми помещениями, могут вызвать сильных длительных воздействий магнитных полей крайне низкой частоты на близлежащих жителей. Некоторые исследования показали повышенный риск лейкемии у детей, связанный с длительным воздействием повышенных уровней магнитных полей.

Dangerous magnetic field exposure near transformer substation in the building Опасное воздействие магнитного поля возле трансформаторной подстанции в здании (фото предоставлено Эдвардом Чаньи)

С ростом общественного интереса, осмотрительного избегания и передовой практики становится все более важным минимизировать воздействие на близлежащих жителей.

Наиболее экономически эффективным способом достижения этой цели является включение устройства ослабления магнитного поля на раннем этапе планирования и процесса строительства / реконструкции каждой трансформаторной подстанции.

С помощью численного моделирования исследованы различные варианты реконструкции типовой трансформаторной подстанции, расположенной в цокольном этаже многоквартирного дома с жилым помещением, расположенным прямо над трансформатором. Чтобы получить исчерпывающий снимок текущей ситуации перед реконструкцией, мы провели детальные точечные и суточные измерения плотности магнитного потока.

По результатам численного моделирования предложен оптимальный и экономичный план реконструкции.

После реконструкции численные результаты были оценены путем сравнения численных результатов с результатами измерений после реконструкции, и численный прогноз 10-кратный коэффициент уменьшения наивысших значений магнитного поля подтвердился.

Содержание :

Введение

Международное агентство по изучению рака включило магнитное поле крайне низкой частоты (СНЧ) в число возможных канцерогенных факторов для человека [1].

Это решение основано на результатах двух исследований [2, 3], которые показали, что повышенные усредненные за 24 часа значения магнитного поля СНЧ (<0,3-0,4 мкТл) действительно увеличивают риск лейкемии у детей, но биологические механизмы этого риска остаются неизвестными [1, 4, 5, 6].

Трансформаторные подстанции (ТП), расположенные в подвале домов, где квартиры расположены рядом или над ТП, несомненно, являются важными источниками магнитных полей СНЧ внутри соседних квартир.В исследовании, проведенном в Финляндии [7] , они обнаружили, что более чем в 70% квартир выше TS среднесуточное значение плотности магнитного потока превышает 0,4 мкТл , тогда как в более высоких этажах это было верно только для 6,7%. апартаменты .

Минимизация магнитного поля возможна либо путем перемещения всех частей с большим током от квартир, путем изменения геометрии проводников, особенно шины низкого напряжения (НН), путем замены компонентов ТП (на компоненты с меньшие выбросы), и, наконец, можно защитить близлежащие квартиры материалами с высокой проницаемостью или высокой проводимостью.

Вернуться к содержанию ↑

Материалы и методы

Ситуация

Типовая ТП номинальной мощностью 630 кВА , номинальным напряжением 10 / 0,4 кВ расположена в подвале многоквартирного дома. В первом помещении находится трансформатор (рисунок 1), а во втором — распределительное устройство 20 кВ и низковольтное распределительное устройство.

С нами связался владелец квартиры над ТП, чтобы оценить уровни полей внутри квартиры.Первые измерения увеличили плотность магнитного потока до значений 15 мкТл внутри квартиры над TS .

Transformer located in the right room of the transformer substation Рисунок 1: Трансформатор, расположенный в правом помещении трансформаторной подстанции

Вернуться к содержанию ↑

Измерения

Магнитное поле линейно коррелирует с фактической токовой нагрузкой, но оно может меняться в течение дня в зависимости от текущего использования .

Чтобы получить подробный снимок магнитного поля в квартире над TS, поэтому недостаточно провести только точечные измерения , но также 24-часовые измерения, чтобы оценить изменчивость магнитного поля во времени и определить наихудшие условия .

Wandel & Goltermann EM field analyzer EFA-3 Wandel & Goltermann EM-анализатор поля EFA-3

Для точечных измерений мы использовали EM-анализатор поля Wandel & Goltermann EFA-3 с датчиком поля B . Для 24-часовых измерений мы использовали автоматическую измерительную станцию ​​PMM 8055, которая измеряет плотность магнитного потока непрерывно 24 часа в сутки.

Состоит из датчика для измерения плотности магнитного потока КНЧ HP-051, блока управления с GSM-модемом для отправки результатов измерений с измерительной станции на сервер, подключенного к Интернету, корпуса с солнечными элементами и аккумулятором.После того, как данные будут автоматически переданы на сервер, они могут быть просмотрены всем через интернет-приложение.

В соответствии с законодательством Словении и международными стандартами (IEC 61786) плотность магнитного потока измеряется на высоте 1 или 1,5 м над землей . Но в квартире нередко дети ставят кровати на пол или играют на полу, и при измерениях на высоте 1 м над землей экспозиция будет сильно занижена.

Таким образом, все измерения — точечные и непрерывные 24 часа — проводились на высоте 0,2 м над землей .

Вернуться к содержанию ↑

Численные расчеты

Мы использовали программный пакет Narda EFC-400EP для численного моделирования плотности магнитного потока в районе ТП. Он основан на методе сегментации, где каждый проводник представлен конечными сегментами.

Соответствующий материал и электромагнитные характеристики присваиваются всем сегментам, и результирующее магнитное поле является суммой вкладов всех сегментов.

Вернуться к содержанию ↑

Результаты

Результаты точечных измерений

Точечные измерения были выполнены 22 октября 2008 года с 10.30 до 11.30. Измерения проводились в 15 точках внутри TS, а также в 17 точках в квартире над TS . Результаты измерений в квартире вместе с локациями приведены в таблице 1. По данным электросетевой компании значение тока в шине низкого напряжения во время измерений составило ≈100 А .

Таблица 1 — Измеренные значения плотности магнитного потока в квартире выше TS

Measured values of magnetic flux density in apartment above TS Таблица 1 — Измеренные значения плотности магнитного потока в квартире выше TS

Вернуться к содержанию ↑

Результаты непрерывных 24-часовых измерений

Непрерывные 24-часовые измерения проводились первый раз в период с начала декабря 2007 г. по конец января 2008 г., а второй раз — между началом точечных измерений (22 октября 2008 г.) и 6 декабря 2008 г.

Наивысшая измеренная плотность магнитного потока составила 15,6 мкТл с самым высоким средним значением за 24 часа 9,4 мкТл . По результатам непрерывных измерений оценивалась реальная наихудшая нагрузка ТС.

При точечных измерениях ток в шине низкого напряжения составил ≈100 A . Номинальная нагрузка с током 909 A представляет собой наихудший случай, когда такие условия в реальных ситуациях очень маловероятны. Основываясь на результатах непрерывных измерений, мы оценили, что в самом худшем случае ток в шине НН составляет ≈200 А .

Вернуться к содержанию ↑

Численное моделирование

Для проверки нашей числовой модели TS мы сравнили измеренные и рассчитанные результаты при одинаковых условиях нагрузки в одних и тех же местах (Таблица 2), и было видно, что оба значения согласуются хорошо. Небольшие отличия возможны из-за разных факторов (упрощение модели, изменение нагрузки ТС…).

Мы провели отдельные расчеты для разных частей ТП, чтобы оценить, какие части являются наиболее важными, и идентифицировали шину НН, которая закреплена на потолке ТП, и, следовательно, расстояние между шиной НН и полом вышеупомянутой квартиры составляет только 0.5 м . Другими важными источниками также являются распределительное устройство и трансформатор.

На основании этих результатов мы численно проанализировали реконструкцию ТС со следующими модификациями:

  1. Удаление шины низкого напряжения, новая шина низкого напряжения, расположенная под полом ТС;
  2. Замена распределительного устройства, так как оно уже старое, на новое, которое должно быть как можно ниже;
  3. Правильная конструкция и реализация всех шин в TS (все кабели сближены и расположены треугольником, как можно более короткие шины, особенно их части, которые выше пола TS).
  4. Предлагаем трансформатор оставить, так как он был заменен несколько лет назад.

Таблица 2 — Сравнение измеренной и рассчитанной плотности магнитного потока внутри квартиры над TS

Comparison of measured and calculated magnetic flux density inside the apartment above the TS Таблица 2 — Сравнение измеренной и рассчитанной плотности магнитного потока внутри квартиры над TS

По результатам в Таблице 3 и на Рисунке 2-5 мы видим , что реконструкция снизит максимальное значение плотности магнитного потока примерно в 10 раз .

Comparison of the maximum calculated values of the magnetic flux density before the reconstruction and after it Таблица 3 — Сравнение максимальных расчетных значений плотности магнитного потока до реконструкции и после нее

Плотность магнитного потока до и после реконструкции

Результаты численного расчета плотности магнитного потока в квартире на высоте 0,2 м над полом до (слева) и после реконструкции (справа). Ток в шине НН составляет 100 А.

Results of the numerical calculation of the magnetic flux density in the apartment at the height of 0.2 m above the floor before (left) and after the reconstruction (right). The current in the LV busbar is 100 A. Рисунок 2: Результаты численного расчета плотности магнитного потока в квартире на высоте 0.2 м над уровнем пола до (слева) и после реконструкции (справа). Ток в шине НН — 100 А.

Результаты численного расчета плотности магнитного потока в квартире на высоте 0,2 м от пола до (слева) и после реконструкции (справа). Ток в шине НН составляет 909 А.

Results of the numerical calculation of the magnetic flux density in the apartment at the height of 0.2 m above the floor before (left) and after the reconstruction (right). The current in the LV busbar is 909 A. Рисунок 3 — Результаты численного расчета плотности магнитного потока в квартире на высоте 0,2 м над уровнем пола до (слева) и после реконструкции (справа) .Ток в шине НН составляет 909 А.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ

Результаты численного расчета плотности магнитного потока в вертикальной плоскости через шину НН до (слева) и после реконструкции (справа). Ток в шине НН составляет 100 А.

Results of the numerical calculation of the magnetic flux density in vertical plane through LV busbar before (left) and after the reconstruction (right). The current in the LV busbar is 100 A. Рисунок 4 — Результаты численного расчета плотности магнитного потока в вертикальной плоскости через шину НН до (слева) и после реконструкции (справа). Ток в шине низкого напряжения составляет 100 А.

Результаты численного расчета плотности магнитного потока в вертикальной плоскости через шину НН до (слева) и после реконструкции (справа). Ток в шине НН составляет 909 А.

Results of the numerical calculation of the magnetic flux density in vertical plane through LV busbar before (left) and after the reconstruction (right). The current in the LV busbar is 909 A. Рисунок 5 — Результаты численного расчета плотности магнитного потока в вертикальной плоскости через шину НН до (слева) и после реконструкции (справа). Ток в шине НН составляет 909 А.

Вернуться к содержанию ↑

Точечные измерения после реконструкции

Для проверки результатов численных расчетов измеряли плотность магнитного потока после реконструкции в тех же местах, что и до реконструкции (Фигура 2).При измерениях после реконструкции токовая нагрузка была немного больше тока: до этого было около 100 А, после около 160 А — .

В таблице 4 приведены значения плотности магнитного потока для измерений до восстановления (второй столбец) и после него (третий столбец). Соотношение между обоими измерениями, показывающими уменьшение магнитного поля в квартире над TS, приведенное в четвертом столбце, поэтому немного занижает эффективность реконструкции, , поскольку текущая нагрузка была равна 1.В 6 раз выше при измерениях после реконструкции .

Таблица 4 — Измеренная плотность магнитного потока в квартире над TS

Measured magnetic flux density in the apartment above the TS Таблица 4 — Измеренная плотность магнитного потока в квартире над TS

Вернуться к содержанию ↑

Обсуждение и выводы

Мы проанализировали магнитное поле поле в квартире над ТП до реконструкции. С помощью численных расчетов реконструкция была оптимизирована с точки зрения рентабельности и цели снижения уровня магнитного поля в квартире над ТС.

Несмотря на то, что рост затрат на реконструкцию был минимальным, а реализация предложенного решения не была проблематичной, все же снизило облучение людей, проживающих в квартире, в 10 раз.

Чтобы еще больше снизить магнитное поле в квартире, необходимо либо заменить трансформатор на трансформатор с пониженной эмиссией магнитного поля, либо использовать экранирующие материалы для магнитного поля СНЧ. Экранирующие материалы являются либо хорошими проводниками (алюминиевые или медные пластины), либо имеют высокую проницаемость.

С помощью экранирующих материалов можно уменьшить магнитное поле в 5 раз в или даже больше , но эти решения связаны с гораздо более высокими затратами по сравнению с предлагаемым.

Вернуться к содержанию ↑

Авторы: БЛАЙ ВАЛИЧ и ПЕТЕР ГАЙШЕК (ИНСТИТУТ НЕИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ПОХОРСКЕГА БАТАЛЙОНА 215, 1000 LJUBLJANA, SLOVENIA

000: 000AR

0007

, SLOVENIA) (2002) Неионизирующее излучение, Часть 1: Статические и чрезвычайно низкочастотные (СНЧ) электрические и магнитные поля. IARC Monogr Eval Carcinog Risks Hum 80: 1–395. Лион, Франция

  • Ahlbom A, Day N, Feychting M et. al. (2000) Объединенный анализ магнитных полей и детской лейкемии. Br J Cancer 83: 692–698
  • Greenland S, Sheppard AR, Kaune WT et. al. (2000) Объединенный анализ магнитных полей, проводных кодов и детской лейкемии. Группа изучения детской лейкемии-ЭМП. Эпидемиология 11: 624–634
  • Хейфец Л., Репачоли М., Сондерс Рет.al. (2005) Чувствительность детей к электромагнитным полям. Педиатрия 116: 303–313
  • Swanson J, Kheifets L (2006) Биофизические механизмы и весомость доказательств ЭМП. Radiat Res 165: 470–478
  • Schuz J (2007) Значение эпидемиологических исследований магнитных полей и риска детской лейкемии для руководящих принципов защиты. Health Phys 92: 642-648
  • Ilonen K, Markkanen A, Mezei G et. al. (2008) Внутренние трансформаторные подстанции как предикторы воздействия магнитного поля СНЧ в жилых помещениях.Биоэлектромагнетизм: 29: 213-218
  • .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *