من أين ينشأ المجال المغناطيسي؟ المجال المغناطيسي: الأسباب والخصائص

حقل مغناطيسييسمى نوعًا خاصًا من المادة ، يختلف عن المادة ، والذي من خلاله ينتقل عمل المغناطيس إلى أجسام أخرى.

مجال مغناطيسييحدث في الفضاء المحيط بالشحنات الكهربائية المتحركة والمغناطيس الدائم. إنه يؤثر فقط على الرسوم المتحركة. تحت تأثير القوى الكهرومغناطيسية ، تنحرف الجسيمات المشحونة المتحركة

من مساره الأصلي في اتجاه عمودي على المجال.

المجالات المغناطيسية والكهربائية لا ينفصلان ويشكلان معًا مجالًا كهرومغناطيسيًا واحدًا. أي تغيير الحقل الكهربائييؤدي إلى ظهور مجال مغناطيسي ، وعلى العكس من ذلك ، فإن أي تغيير في المجال المغناطيسي يكون مصحوبًا بظهور مجال كهربائي. ينتشر المجال الكهرومغناطيسي بسرعة الضوء ، أي 300000 كم / ثانية.

إن تأثير المغناطيس الدائم والمغناطيسات الكهربائية على الأجسام المغناطيسية الحديدية ، ووجود أقطاب المغناطيس ووحدتها غير المنفصلة وتفاعلها معروفة جيدًا (تجذب الأقطاب المتقابلة ، مثل الأقطاب المتنافرة). بصورة مماثلة

مع الأقطاب المغناطيسية للأرض ، تسمى أقطاب المغناطيس الشمال والجنوب.

يتم تصوير المجال المغناطيسي بصريًا بواسطة خطوط القوة المغناطيسية ، والتي تحدد اتجاه المجال المغناطيسي في الفضاء (الشكل 1). هذه الخطوط ليس لها بداية ولا نهاية ، أي مغلقة.

خطوط القوة للمجال المغناطيسي للموصل المستقيم هي دوائر متحدة المركز تحيط بالسلك. كلما كان التيار أقوى ، كلما كان المجال المغناطيسي حول السلك أقوى. عندما تبتعد عن السلك الحامل للتيار ، يضعف المجال المغناطيسي.

في الفضاء المحيط بمغناطيس أو مغناطيس كهربائي ، الاتجاه من من القطب الشمالي إلى الجنوب. كلما كان المجال المغناطيسي أقوى ، زادت كثافة خطوط المجال.

يتم تحديد اتجاه خطوط المجال المغناطيسي حكم gimlet:.

أرز. 1. المجال المغناطيسي للمغناطيس:

مباشر؛ ب - حدوة حصان

أرز. 2. المجال المغناطيسي:

أ - سلك مستقيم ب - ملف حثي

إذا قمت بلف المسمار في اتجاه التيار ، فسيتم توجيه خطوط القوة المغناطيسية على طول المسمار (الشكل 2 أ)

للحصول على مجال مغناطيسي أقوى ، يتم استخدام لفائف حثي مع لفائف الأسلاك. في هذه الحالة ، تضاف المجالات المغناطيسية للملفات الفردية للملف الاستقرائي وتندمج خطوط قوتها في تدفق مغناطيسي مشترك.

خطوط القوة المغناطيسية الخارجة من الملف الاستقرائي

في النهاية حيث يتم توجيه التيار عكس اتجاه عقارب الساعة ، أي أن هذه النهاية هي القطب المغناطيسي الشمالي (الشكل 2 ، ب).

عندما يتغير اتجاه التيار في الملف الاستقرائي ، يتغير أيضًا اتجاه المجال المغناطيسي.

إنه مجال قوة يعمل على الشحنات الكهربائية وعلى الأجسام التي تتحرك ولها عزم مغناطيسي ، بغض النظر عن حالة حركتها. المجال المغناطيسي هو جزء من المجال الكهرومغناطيسي.

يخلق تيار الجسيمات المشحونة أو اللحظات المغناطيسية للإلكترونات في الذرات مجالًا مغناطيسيًا. أيضًا ، ينشأ مجال مغناطيسي نتيجة لبعض التغييرات الزمنية في المجال الكهربائي.

متجه تحريض المجال المغناطيسي B هو خاصية القوة الرئيسية للمجال المغناطيسي. في الرياضيات ، يتم تعريف B = B (X ، Y ، Z) على أنه حقل متجه. يعمل هذا المفهوم على تحديد المجال المغناطيسي المادي وتحديده. في العلم ، غالبًا ما يكون ناقل الحث المغناطيسي ببساطة ، للإيجاز ، يسمى المجال المغناطيسي. من الواضح أن مثل هذا التطبيق يسمح ببعض التفسير المجاني لهذا المفهوم.

خاصية أخرى للمجال المغناطيسي للتيار هي الجهد المتجه.

في الأدبيات العلمية ، غالبًا ما يمكن للمرء أن يجد أن السمة الرئيسية للمجال المغناطيسي ، في حالة عدم وجود وسط مغناطيسي (فراغ) ، هي متجه لشدة المجال المغناطيسي. رسميًا ، هذا الموقف مقبول تمامًا ، لأنه في الفراغ يتطابق متجه شدة المجال المغناطيسي H وناقل الحث المغناطيسي B. في الوقت نفسه ، لا يتم ملء متجه شدة المجال المغناطيسي في وسط مغناطيسي بنفس المعنى المادي ، وهو كمية ثانوية. بناءً على ذلك ، مع المساواة الشكلية لهذه الأساليب للفراغ ، تأخذ وجهة النظر المنهجية بعين الاعتبار ناقل الحث المغناطيسي السمة الرئيسية للمجال المغناطيسي الحالي.

المجال المغناطيسي ، بالطبع ، هو نوع خاص من المادة. بمساعدة هذه المسألة ، هناك تفاعل بين وجود لحظة مغناطيسية وتحريك الجسيمات أو الأجسام المشحونة.

تعتبر نظرية النسبية الخاصة المجالات المغناطيسية نتيجة لوجود المجالات الكهربائية نفسها.

تشكل المجالات المغناطيسية والكهربائية معًا مجالًا كهرومغناطيسيًا. مظاهر المجال الكهرومغناطيسي هي الضوء والموجات الكهرومغناطيسية.

تعتبر نظرية الكم للمجال المغناطيسي التفاعل المغناطيسي حالة منفصلة للتفاعل الكهرومغناطيسي. يحمله بوزون عديم الكتلة. البوزون هو فوتون - جسيم يمكن تمثيله كإثارة كمومية لمجال كهرومغناطيسي.

يتم إنشاء المجال المغناطيسي إما عن طريق تيار الجسيمات المشحونة ، أو عن طريق تحويل المجال الكهربائي في الفضاء الزمني ، أو عن طريق اللحظات المغناطيسية الجوهرية للجسيمات. يتم تقليل اللحظات المغناطيسية للجسيمات من أجل الإدراك الموحد رسميًا إلى تيارات كهربائية.

حساب قيمة المجال المغناطيسي.

تسمح لنا الحالات البسيطة بحساب قيم المجال المغناطيسي للموصل بالتيار وفقًا لقانون Biot-Savart-Laplace ، أو باستخدام نظرية الدوران. بنفس الطريقة ، يمكن أيضًا العثور على قيمة المجال المغناطيسي للتيار الموزع بشكل تعسفي في حجم أو مساحة. من الواضح أن هذه القوانين قابلة للتطبيق على المجالات المغناطيسية والكهربائية الثابتة أو المتغيرة ببطء نسبيًا. هذا هو ، في حالات وجود المغناطيسية. تتطلب الحالات الأكثر تعقيدًا حساب القيمة تيار المجال المغناطيسيوفقًا لمعادلات ماكسويل.

مظهر من مظاهر وجود مجال مغناطيسي.

المظهر الرئيسي للمجال المغناطيسي هو التأثير على اللحظات المغناطيسية للجسيمات والأجسام ، على الجسيمات المشحونة أثناء الحركة. قوة لورنتزتسمى القوة التي تؤثر على جسيم مشحون كهربائيًا يتحرك في مجال مغناطيسي. هذه القوة لها اتجاه عمودي ثابت على المتجهين v و B. ولها أيضًا قيمة متناسبة مع شحنة الجسيم q ، وهي مكون السرعة v ، المتعامدة مع اتجاه متجه المجال المغناطيسي B ، و الكمية التي تعبر عن تحريض المجال المغناطيسي ب. إن قوة لورنتز وفقًا للنظام الدولي للوحدات لها هذا التعبير: و = ف، في نظام الوحدات CGS: F = ف / ج

يتم عرض منتج المتجه بين قوسين مربعين.

نتيجة لتأثير قوة لورنتز على الجسيمات المشحونة التي تتحرك على طول الموصل ، يمكن أن يعمل المجال المغناطيسي أيضًا على الموصل الحامل للتيار. قوة الأمبير هي القوة المؤثرة على الموصل الحامل للتيار. مكونات هذه القوة هي القوى المؤثرة على الشحنات الفردية التي تتحرك داخل الموصل.

ظاهرة تفاعل مغناطيسين.

تسمى ظاهرة المجال المغناطيسي ، التي يمكن أن نلتقي بها في الحياة اليومية ، تفاعل مغناطيسين. يتم التعبير عنها في تنافر أقطاب متطابقة من بعضها البعض وجاذبية الأقطاب المتقابلة. من وجهة نظر رسمية ، فإن وصف التفاعلات بين مغناطيسين على أنها تفاعل بين قطبين أحادي القطب هو فكرة مفيدة وممكنة ومريحة إلى حد ما. في الوقت نفسه ، يُظهر تحليل مفصل أن هذا في الواقع ليس وصفًا صحيحًا تمامًا للظاهرة. السؤال الرئيسي دون إجابة في مثل هذا النموذج هو لماذا لا يمكن فصل أحادي القطب. في الواقع ، لقد ثبت تجريبياً أن أي جسم معزول لا يحتوي على شحنة مغناطيسية. أيضًا ، لا يمكن تطبيق هذا النموذج على مجال مغناطيسي تم إنشاؤه بواسطة تيار مجهري.

من وجهة نظرنا ، من الصحيح أن نفترض أن القوة المؤثرة على ثنائي القطب المغناطيسي الموجود في مجال غير متجانس تميل إلى قلبه بطريقة تجعل العزم المغناطيسي للثنائي القطب له نفس اتجاه المجال المغناطيسي. ومع ذلك ، لا توجد مغناطيسات تخضع للقوة الكلية من تيار المجال المغناطيسي المنتظم. القوة التي تعمل على ثنائي القطب المغناطيسي مع عزم مغناطيسي ميتم التعبير عنها بالصيغة التالية:

.

يتم التعبير عن القوة المؤثرة على المغناطيس من مجال مغناطيسي غير متجانس كمجموع كل القوى التي تحددها هذه الصيغة وتعمل على ثنائيات الأقطاب الأولية التي تشكل المغناطيس.

الحث الكهرومغناطيسي.

في حالة حدوث تغيير في وقت تدفق متجه الحث المغناطيسي عبر دائرة مغلقة ، يتم تشكيل EMF للحث الكهرومغناطيسي في هذه الدائرة. إذا كانت الدائرة ثابتة ، يتم إنشاؤها بواسطة مجال كهربائي دوامة ، والذي ينشأ نتيجة للتغير في المجال المغناطيسي بمرور الوقت. عندما لا يتغير المجال المغناطيسي بمرور الوقت ولا يوجد تغيير في التدفق بسبب حركة حلقة الموصل ، يتم إنشاء EMF بواسطة قوة Lorentz.

مجال مغناطيسي- هذا وسيط مادي يتم من خلاله التفاعل بين الموصلات مع الشحنات الحالية أو المتحركة.

خصائص المجال المغناطيسي:

خصائص المجال المغناطيسي:

لدراسة المجال المغناطيسي ، يتم استخدام دائرة اختبار بالتيار. إنه صغير ، والتيار فيه أقل بكثير من التيار في الموصل الذي يخلق المجال المغناطيسي. على طرفي الدائرة المتعاكسين مع التيار من جانب المجال المغناطيسي ، تعمل القوى المتساوية في الحجم ، ولكنها موجهة في اتجاهين متعاكسين ، لأن اتجاه القوة يعتمد على اتجاه التيار. لا تقع نقاط تطبيق هذه القوى على خط مستقيم واحد. تسمى هذه القوى زوجان من القوات. نتيجة لعمل زوج من القوى ، لا يمكن للخط أن يتحرك للأمام ، إنه يدور حول محوره. يتميز عمل الدوران عزم الدوران.

، أين ل–ذراع زوج من القوات(المسافة بين نقاط تطبيق القوات).

مع زيادة التيار في دائرة اختبار أو منطقة دائرة ، ستزداد لحظة زوج من القوى بشكل متناسب. نسبة أقصى لحظة للقوى المؤثرة على الدائرة الحاملة للتيار إلى حجم التيار في الدائرة ومنطقة الدائرة هي قيمة ثابتة لنقطة معينة من المجال. تسمى الحث المغناطيسي.

، أين
-لحظة جاذبةالدوائر مع التيار.

وحدة قياسالحث المغناطيسي - تسلا [تي].

العزم المغناطيسي للدائرة- كمية المتجهات التي يعتمد اتجاهها على اتجاه التيار في الدائرة ويحددها حكم المسمار الصحيح: ثبّت يدك اليمنى في قبضة ، وأشر بأربعة أصابع في اتجاه التيار في الدائرة ، ثم سيشير الإبهام إلى اتجاه متجه العزم المغناطيسي. يكون متجه العزم المغناطيسي دائمًا عموديًا على المستوى الكنتوري.

وراء اتجاه ناقل الحث المغناطيسيخذ اتجاه متجه اللحظة المغناطيسية للدائرة الموجهة في المجال المغناطيسي.

خط الحث المغناطيسي- الخط ، الظل الذي يتطابق عند كل نقطة مع اتجاه ناقل الحث المغناطيسي. دائمًا ما تكون خطوط الحث المغناطيسي مغلقة ولا تتقاطع أبدًا. خطوط الحث المغناطيسي للموصل المستقيممع التيار لها شكل دوائر تقع في مستوى عمودي على الموصل. يتم تحديد اتجاه خطوط الحث المغناطيسي بقاعدة المسمار الأيمن. خطوط الحث المغناطيسي للتيار الدائري(الملف مع التيار) لها أيضًا شكل دوائر. كل عنصر ملف طويل
يمكن اعتباره موصلًا مستقيمًا يخلق مجاله المغناطيسي الخاص. بالنسبة للمجالات المغناطيسية ، يتحقق مبدأ التراكب (إضافة مستقلة). يتم تحديد المتجه الكلي للحث المغناطيسي للتيار الدائري نتيجة إضافة هذه الحقول في مركز الملف وفقًا لقاعدة المسمار الأيمن.

إذا كان حجم واتجاه متجه الحث المغناطيسي هو نفسه عند كل نقطة في الفضاء ، فإن المجال المغناطيسي يسمى متجانس. إذا لم يتغير حجم واتجاه ناقل الحث المغناطيسي في كل نقطة بمرور الوقت ، فسيتم استدعاء هذا المجال دائم.

قيمة الحث المغناطيسيفي أي نقطة من المجال يتناسب طرديًا مع القوة الحالية في الموصل الذي يخلق المجال ، ويتناسب عكسيًا مع المسافة من الموصل إلى نقطة معينة في الحقل ، ويعتمد على خصائص الوسيط وشكل الموصل الذي يخلق المجال.

، أين
على 2 ؛ ح / م هو الفراغ المغناطيسي الثابت,

-النفاذية المغناطيسية النسبية للوسط,

-النفاذية المغناطيسية المطلقة للوسط.

اعتمادًا على حجم النفاذية المغناطيسية ، يتم تقسيم جميع المواد إلى ثلاث فئات:

مع زيادة النفاذية المطلقة للوسط ، يزداد أيضًا الحث المغناطيسي عند نقطة معينة من المجال. نسبة الحث المغناطيسي إلى النفاذية المغناطيسية المطلقة للوسيط هي قيمة ثابتة لنقطة معينة من بولي ، ويسمى البريد توتر.

.

تتطابق نواقل التوتر والحث المغناطيسي في الاتجاه. قوة المجال المغناطيسي لا تعتمد على خصائص الوسط.

قوة الأمبير- القوة التي يعمل بها المجال المغناطيسي على موصل تيار.

أين ل- طول الموصل ، - الزاوية بين متجه الحث المغناطيسي واتجاه التيار.

يتم تحديد اتجاه قوة الأمبير بواسطة حكم اليد اليسرى: يتم وضع اليد اليسرى بحيث يدخل مكون ناقل الحث المغناطيسي ، عموديًا على الموصل ، راحة اليد ، ويوجه أربعة أصابع ممدودة على طول التيار ، ثم يشير ثني الإبهام بمقدار 90 0 إلى اتجاه قوة أمبير.

نتيجة عمل قوة الأمبير هي حركة الموصل في اتجاه معين.

ه لو = 90 0 ، ثم F = ماكس ، إذا = 0 0 ، ثم F = 0.

قوة لورنتز- قوة المجال المغناطيسي على الشحنة المتحركة.

حيث q هي الشحنة ، v هي سرعة حركتها ، - الزاوية بين متجهي الشد والسرعة.

تكون قوة لورنتز دائمًا عمودية على الحث المغناطيسي ومتجهات السرعة. يتم تحديد الاتجاه بواسطة حكم اليد اليسرى(أصابع - على حركة شحنة موجبة). إذا كان اتجاه سرعة الجسيم عموديًا على خطوط الحث المغناطيسي لمجال مغناطيسي منتظم ، فإن الجسيم يتحرك في دائرة دون تغيير الطاقة الحركية.

نظرًا لأن اتجاه قوة لورنتز يعتمد على علامة الشحنة ، يتم استخدامها لفصل الرسوم.

الفيض المغناطيسي- قيمة مساوية لعدد خطوط الحث المغناطيسي التي تمر عبر أي منطقة عمودية على خطوط الحث المغناطيسي.

، أين - الزاوية بين الحث المغناطيسي والعادي (العمودي) على المنطقة S.

وحدة قياس- ويبر [دبليو بي].

طرق قياس التدفق المغناطيسي:

تغيير اتجاه الموقع في مجال مغناطيسي (تغيير الزاوية)

تغيير في منطقة الكفاف الموضوعة في مجال مغناطيسي

تغيير قوة التيار الذي يخلق المجال المغناطيسي

تغيير مسافة الكفاف من مصدر المجال المغناطيسي

تغيير في الخصائص المغناطيسية للوسط.

F سجل Araday تيارًا كهربائيًا في دائرة لا تحتوي على مصدر ، ولكنها كانت موجودة بجوار دائرة أخرى تحتوي على مصدر. علاوة على ذلك ، نشأ التيار في الدائرة الأولية في الحالات التالية: مع أي تغيير في التيار في الدائرة A ، مع الحركة النسبية للدوائر ، مع إدخال قضيب حديدي في الدائرة A ، مع حركة مغناطيس دائم بالنسبة لـ الدائرة ب. تحدث الحركة الموجهة للشحنات الحرة (التيار) فقط في مجال كهربائي. هذا يعني أن المجال المغناطيسي المتغير يولد مجالًا كهربائيًا ، والذي يحدد الشحنات الحرة للموصل في الحركة. هذا المجال الكهربائي يسمى الناجم عنأو إيدي.

الفروق بين المجال الكهربائي الدوامي والمجال الكهروستاتيكي:

مصدر مجال الدوامة هو مجال مغناطيسي متغير.

تم إغلاق خطوط شدة مجال الدوامة.

الشغل الذي يقوم به هذا المجال لتحريك الشحنة على طول دائرة مغلقة لا يساوي صفرًا.

إن خاصية الطاقة التي يتميز بها مجال الدوامة ليست هي الإمكانات ، بل هي الحث EMF- قيمة مساوية لعمل القوى الخارجية (قوى ذات أصل غير إلكتروستاتيكي) في تحريك وحدة شحنة على طول دائرة مغلقة.

.تقاس بالفولت[في].

ينشأ المجال الكهربائي الدوامي مع أي تغيير في المجال المغناطيسي ، بغض النظر عما إذا كانت هناك حلقة مغلقة موصلة أم لا. يسمح الكفاف فقط باكتشاف المجال الكهربائي للدوامة.

الحث الكهرومغناطيسي- هذا هو حدوث EMF للتحريض في دائرة مغلقة مع أي تغيير في التدفق المغناطيسي عبر سطحه.

EMF للحث في دائرة مغلقة يولد تيارًا حثيًا.

.

اتجاه تيار الحثحدد بواسطة حكم لينز: للتيار الحثي اتجاه بحيث يعارض المجال المغناطيسي الناتج عن ذلك أي تغيير في التدفق المغناطيسي الذي يولد هذا التيار.

قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي: EMF للتحريض في حلقة مغلقة يتناسب طرديًا مع معدل تغير التدفق المغناطيسي عبر السطح الذي تحده الحلقة.

تي حسناً فوكو- التيارات الحثية الدوامية التي تحدث في الموصلات الكبيرة الموضوعة في مجال مغناطيسي متغير. مقاومة مثل هذا الموصل صغيرة ، لأنه يحتوي على مقطع عرضي كبير S ، لذلك يمكن أن تكون تيارات فوكو كبيرة الحجم ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الموصل.

الاستقراء الذاتي- هذا هو حدوث EMF للتحريض في موصل عندما تتغير شدة التيار فيه.

يخلق الموصل الحامل للتيار مجالًا مغناطيسيًا. يعتمد الحث المغناطيسي على قوة التيار ، وبالتالي فإن التدفق المغناطيسي الخاص يعتمد أيضًا على قوة التيار.

حيث L هو معامل التناسب ، الحث.

وحدة قياسالحث - Henry [H].

الحثيعتمد الموصل على حجمه وشكله ونفاذية الوسط المغناطيسية.

الحثيزداد مع طول الموصل ، ويكون محاثة الملف أكبر من محاثة موصل مستقيم بنفس الطول ، ويكون تحريض الملف (موصل به عدد كبير من الدورات) أكبر من محاثة دورة واحدة ، يزداد تحريض الملف إذا تم إدخال قضيب حديدي فيه.

قانون فاراداي للتحريض الذاتي:
.

الحث الذاتي EMFيتناسب طرديا مع معدل التغيير الحالي.

الحث الذاتي EMFيولد تيار الحث الذاتي ، والذي يمنع دائمًا أي تغيير في التيار في الدائرة ، أي إذا زاد التيار ، يتم توجيه تيار الحث الذاتي في الاتجاه المعاكس ، عندما ينخفض ​​التيار في الدائرة ، فإن يتم توجيه تيار الحث في نفس الاتجاه. كلما زاد تحريض الملف ، زاد عدد المجالات الكهرومغناطيسية للحث الذاتي فيه.

طاقة المجال المغناطيسييساوي العمل الذي يقوم به التيار للتغلب على EMF للحث الذاتي خلال الوقت حتى يزداد التيار من صفر إلى قيمة قصوى.

.

الاهتزازات الكهرومغناطيسية- هذه تغيرات دورية في الشحنة وقوة التيار وجميع خصائص المجالات الكهربائية والمغناطيسية.

نظام تذبذب كهربائي(الدائرة التذبذبية) تتكون من مكثف ومحث.

شروط حدوث الاهتزازات:

يجب إخراج النظام من التوازن ؛ لذلك ، يتم نقل شحنة إلى المكثف. طاقة المجال الكهربائي لمكثف مشحون:

.

يجب أن يعود النظام إلى حالة التوازن. تحت تأثير المجال الكهربائي ، تنتقل الشحنة من لوحة مكثف إلى أخرى ، أي أن تيارًا كهربائيًا ينشأ في الدائرة ، والذي يتدفق عبر الملف. مع زيادة التيار في المحرِّض ، ينشأ EMF للحث الذاتي ، يتم توجيه تيار الحث الذاتي في الاتجاه المعاكس. عندما ينخفض ​​التيار في الملف ، يتم توجيه تيار الحث الذاتي في نفس الاتجاه. وبالتالي ، فإن تيار الحث الذاتي يميل إلى إعادة النظام إلى حالة التوازن.

يجب أن تكون المقاومة الكهربائية للدائرة صغيرة.

دارة تذبذبية مثاليةليس له مقاومة. التذبذبات فيه تسمى مجانا.

بالنسبة لأي دائرة كهربائية ، يتم استيفاء قانون أوم ، والذي بموجبه يكون تأثير EMF في الدائرة مساويًا لمجموع الفولتية في جميع أقسام الدائرة. لا يوجد مصدر حالي في الدائرة التذبذبية ، لكن الحث الذاتي EMF ينشأ في المحرِّض ، وهو ما يساوي الجهد عبر المكثف.

الخلاصة: تتغير شحنة المكثف حسب القانون التوافقي.

جهد مكثف:
.

حلقة الحالية:
.

قيمة
- سعة التيار.

الفرق من الشحن على
.

فترة التذبذبات الحرة في الدائرة:

طاقة المجال الكهربائي مكثف:

لفائف طاقة المجال المغناطيسي:

تتغير طاقات المجالين الكهربائي والمغناطيسي وفقًا لقانون توافقي ، لكن مراحل تذبذباتهما مختلفة: عندما تكون طاقة المجال الكهربائي القصوى ، تكون طاقة المجال المغناطيسي صفراً.

إجمالي الطاقة للنظام التذبذب:
.

في كفاف مثاليإجمالي الطاقة لا يتغير.

في عملية التذبذبات ، يتم تحويل طاقة المجال الكهربائي بالكامل إلى طاقة المجال المغناطيسي والعكس صحيح. هذا يعني أن الطاقة في أي لحظة من الزمن تساوي إما الطاقة القصوى للمجال الكهربائي ، أو الطاقة القصوى للمجال المغناطيسي.

دائرة تذبذبية حقيقيةيحتوي على مقاومة. التذبذبات فيه تسمى بهوت.

يأخذ قانون أوم الشكل:

شريطة أن يكون التخميد صغيرًا (مربع تردد التذبذب الطبيعي أكبر بكثير من مربع معامل التخميد) ، فإن التناقص اللوغاريتمي للتخميد:

مع التخميد القوي (يكون مربع تردد التذبذب الطبيعي أقل من مربع معامل التذبذب):

تصف هذه المعادلة عملية تفريغ مكثف عبر المقاوم. في حالة عدم وجود الحث ، لن تحدث التذبذبات. وفقًا لهذا القانون ، يتغير أيضًا الجهد عبر ألواح المكثف.

إجمالي الطاقةفي دائرة حقيقية ، يتناقص ، حيث يتم إطلاق الحرارة على المقاومة R عند مرور التيار.

عملية الانتقال- عملية تحدث في الدوائر الكهربائية أثناء الانتقال من وضع تشغيل إلى آخر. الوقت المقدر ( ) ، والتي خلالها ستتغير المعلمة التي تميز العملية العابرة بمرور الزمن.

ل دارة مع مكثف ومقاوم:
.

نظرية ماكسويل في المجال الكهرومغناطيسي:

1 موقف:

يولد أي مجال كهربائي متناوب مجالًا مغناطيسيًا دواميًا. دعا ماكسويل الحقل الكهربائي المتناوب إلى تيار الإزاحة ، لأنه ، مثل التيار العادي ، يستحث مجالًا مغناطيسيًا.

لاكتشاف تيار الإزاحة ، يتم النظر في مرور التيار عبر النظام ، والذي يتضمن مكثفًا بعازل كهربائي.

كثافة تيار التحيز:
. يتم توجيه كثافة التيار في اتجاه التغيير في الشدة.

معادلة ماكسويل الأولى:
- يتم إنشاء المجال المغناطيسي الدوامة بواسطة تيارات التوصيل (الشحنات الكهربائية المتحركة) وتيارات الإزاحة (المجال الكهربائي المتناوب E).

2 موقف:

يولد أي مجال مغناطيسي متناوب مجالًا كهربائيًا دوامة - القانون الأساسي للحث الكهرومغناطيسي.

معادلة ماكسويل الثانية:
- يربط معدل تغير التدفق المغناطيسي عبر أي سطح ودوران متجه لشدة المجال الكهربائي الذي يحدث في هذه الحالة.

أي موصل بتيار يخلق مجالًا مغناطيسيًا في الفضاء. إذا كان التيار ثابتًا (لا يتغير بمرور الوقت) ، فإن المجال المغناطيسي المرتبط يكون ثابتًا أيضًا. التيار المتغير يخلق مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا. يوجد مجال كهربائي داخل موصل ناقل للتيار. لذلك ، فإن المجال الكهربائي المتغير يخلق مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا.

المجال المغناطيسي هو دوامة ، لأن خطوط الحث المغناطيسي مغلقة دائمًا. يتناسب حجم شدة المجال المغناطيسي H مع معدل تغير شدة المجال الكهربائي . اتجاه متجه المجال المغناطيسي المرتبطة بتغيير في شدة المجال الكهربائي قاعدة البرغي الأيمن: ثبّت اليد اليمنى في قبضة ، ووجه الإبهام في اتجاه التغيير في شدة المجال الكهربائي ، ثم ستشير الأصابع الأربعة المنحنية إلى اتجاه خطوط شدة المجال المغناطيسي.

يخلق أي مجال مغناطيسي متغير مجالًا كهربائيًا دوامة، التي تكون خطوط قوتها مغلقة وموجودة في مستوى عمودي على شدة المجال المغناطيسي.

يعتمد حجم شدة المجال الكهربائي للدوامة على معدل تغير المجال المغناطيسي . يرتبط اتجاه المتجه E باتجاه التغيير في المجال المغناطيسي H بواسطة قاعدة المسمار الأيسر: ثبّت اليد اليسرى في قبضة ، ووجه الإبهام في اتجاه التغيير في المجال المغناطيسي ، وثني تشير أربعة أصابع إلى اتجاه خطوط المجال الكهربائي للدوامة.

تمثل مجموعة الدوامة الكهربائية والمجالات المغناطيسية المتصلة ببعضها البعض حقل كهرومغناطيسي. لا يبقى المجال الكهرومغناطيسي في مكان المنشأ ، بل ينتشر في الفضاء على شكل موجة كهرومغناطيسية عرضية.

موجه كهرومغناطيسية- هذا هو التوزيع في الفضاء لدوامة المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتصلة ببعضها البعض.

شرط حدوث الموجة الكهرومغناطيسية- حركة الشحنة مع التسارع.

معادلة الموجة الكهرومغناطيسية:

- التردد الدوري للتذبذبات الكهرومغناطيسية

t هو الوقت من بداية التذبذبات

l هي المسافة من مصدر الموجة إلى نقطة معينة في الفضاء

- سرعة انتشار الموجة

الوقت الذي تستغرقه الموجة للانتقال من مصدر إلى نقطة معينة.

المتجهات E و H في الموجة الكهرومغناطيسية متعامدة مع بعضها البعض وعلى سرعة انتشار الموجة.

مصدر الموجات الكهرومغناطيسية- الموصلات التي تتدفق من خلالها التيارات السريعة (بواعث كبيرة) ، وكذلك الذرات والجزيئات المثارة (بواعث دقيقة). كلما زاد تردد التذبذب ، كلما انبعثت موجات كهرومغناطيسية أفضل في الفضاء.

خصائص الموجات الكهرومغناطيسية:

جميع الموجات الكهرومغناطيسية مستعرض

في وسط متجانس ، الموجات الكهرومغناطيسية ينتشر بسرعة ثابتةالتي تعتمد على خصائص البيئة:

- السماحية النسبية للوسيط

هو ثابت العزل الكهربائي للفراغ ،
F / م ، Cl 2 / نانومتر 2

- النفاذية المغناطيسية النسبية للوسط

- فراغ مغناطيسي ثابت ،
على 2 ؛ ح / م

موجات كهرومغناطيسية ينعكس من العوائق ، ممتص ، مبعثر ، منكسر ، مستقطب ، منعرج ، متداخل.

كثافة الطاقة الحجميةيتكون المجال الكهرومغناطيسي من كثافات الطاقة الحجمية للمجالات الكهربائية والمغناطيسية:

كثافة تدفق طاقة الموجة - شدة الموجة:

-ناقل Umov-Poynting.

يتم ترتيب جميع الموجات الكهرومغناطيسية في سلسلة من الترددات أو الأطوال الموجية (
). هذا الصف مقياس الموجات الكهرومغناطيسية.

اهتزازات منخفضة التردد. 0-10 4 هرتز. تم الحصول عليها من المولدات. لا تشع بشكل جيد.

موجات الراديو. 10 4-10 13 هرتز. يشع بواسطة موصلات صلبة ، تمر من خلالها التيارات المتغيرة بسرعة.

الأشعة تحت الحمراء- الموجات المنبعثة من جميع الأجسام عند درجات حرارة أعلى من 0 كلفن ، بسبب العمليات داخل الذرة وداخل الجزيئات.

ضوء مرئي- موجات تؤثر على العين مسببة إحساسًا بصريًا. 380-760 نانومتر

الأشعة فوق البنفسجية. 10 - 380 نانومتر. ينشأ الضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية عندما تتغير حركة الإلكترونات في الغلاف الخارجي للذرة.

الأشعة السينية. 80-10-5 نانومتر. يحدث عندما تتغير حركة الإلكترونات في الأغلفة الداخلية للذرة.

أشعة غاما. يحدث أثناء تحلل النوى الذرية.

دعونا نفهم معًا ما هو المجال المغناطيسي. بعد كل شيء ، يعيش الكثير من الناس في هذا المجال طوال حياتهم ولا يفكرون فيه حتى. حان الوقت لاصلاحه!

مجال مغناطيسي

مجال مغناطيسيهو نوع خاص من المسألة. يتجلى في العمل عند تحريك الشحنات الكهربائية والأجسام التي لها عزم مغناطيسي خاص بها (مغناطيس دائم).

هام: المجال المغناطيسي لا يعمل على الشحنات الثابتة! يتم إنشاء المجال المغناطيسي أيضًا عن طريق تحريك الشحنات الكهربائية ، أو بواسطة مجال كهربائي متغير بمرور الوقت ، أو بواسطة اللحظات المغناطيسية للإلكترونات في الذرات. أي أن أي سلك يتدفق من خلاله التيار يصبح أيضًا مغناطيسًا!

جسم له مجال مغناطيسي خاص به.

المغناطيس له أقطاب تسمى الشمال والجنوب. التسميات "الشمالية" و "الجنوبية" معطاة فقط للراحة (مثل "زائد" و "ناقص" في الكهرباء).

يتم تمثيل المجال المغناطيسي بواسطة قوة الخطوط المغناطيسية. خطوط القوة مستمرة ومغلقة ، ويتزامن اتجاهها دائمًا مع اتجاه القوى الميدانية. إذا كانت نشارة المعدن متناثرة حول مغناطيس دائم ، فإن جزيئات المعدن ستظهر صورة واضحة لخطوط المجال المغناطيسي الخارجة من الشمال وتدخل القطب الجنوبي. الخصائص الرسومية للمجال المغناطيسي - خطوط القوة.

خصائص المجال المغناطيسي

الخصائص الرئيسية للمجال المغناطيسي هي الحث المغناطيسي, الفيض المغناطيسيو النفاذية المغناطيسية. لكن دعنا نتحدث عن كل شيء بالترتيب.

على الفور ، نلاحظ أن جميع وحدات القياس واردة في النظام SI.

الحث المغناطيسي ب - الكمية الفيزيائية المتجهة ، وهي خاصية القوة الرئيسية للمجال المغناطيسي. يشار إليها بالحرف ب . وحدة قياس الحث المغناطيسي - تسلا (تل).

يشير الحث المغناطيسي إلى مدى قوة المجال من خلال تحديد القوة التي يعمل بها على الشحنة. هذه القوة تسمى قوة لورنتز.

هنا ف - الشحنة، الخامس - سرعته في المجال المغناطيسي ، ب - استقراء، F هي قوة لورنتز التي يعمل بها الحقل على الشحنة.

F- كمية فيزيائية تساوي ناتج الحث المغناطيسي من خلال مساحة الكفاف وجيب التمام بين متجه الحث والخط الطبيعي لمستوى الكفاف الذي يمر التدفق من خلاله. التدفق المغناطيسي هو خاصية عددية للمجال المغناطيسي.

يمكننا القول أن التدفق المغناطيسي يميز عدد خطوط الحث المغناطيسي التي تخترق مساحة الوحدة. يتم قياس التدفق المغناطيسي بـ Weberach (WB).

النفاذية المغناطيسيةهو المعامل الذي يحدد الخصائص المغناطيسية للوسط. إحدى المعلمات التي يعتمد عليها الحث المغناطيسي للمجال هي النفاذية المغناطيسية.

كان كوكبنا مغناطيسًا ضخمًا لعدة مليارات من السنين. يختلف تحريض المجال المغناطيسي للأرض باختلاف الإحداثيات. عند خط الاستواء ، تساوي حوالي 3.1 في 10 أس ناقص خمسة من قوة تسلا. بالإضافة إلى ذلك ، هناك حالات شذوذ مغناطيسي ، حيث تختلف قيمة واتجاه المجال بشكل كبير عن المناطق المجاورة. واحدة من أكبر الانحرافات المغناطيسية على هذا الكوكب - كورسكو الشذوذ المغناطيسي البرازيلي.

لا يزال أصل المجال المغناطيسي للأرض لغزا للعلماء. من المفترض أن مصدر المجال هو جوهر المعدن السائل للأرض. اللب يتحرك ، مما يعني أن سبائك الحديد والنيكل المنصهرة تتحرك ، وحركة الجسيمات المشحونة هي التيار الكهربائي الذي يولد المجال المغناطيسي. المشكلة أن هذه النظرية جيودينامو) لا يشرح كيف يتم الحفاظ على استقرار المجال.

الأرض عبارة عن ثنائي أقطاب مغناطيسي ضخم.لا تتطابق الأقطاب المغناطيسية مع الأقطاب الجغرافية ، على الرغم من قربها من بعضها البعض. علاوة على ذلك ، تتحرك الأقطاب المغناطيسية للأرض. تم تسجيل نزوحهم منذ عام 1885. على سبيل المثال ، على مدار المائة عام الماضية ، تحرك القطب المغناطيسي في نصف الكرة الجنوبي بحوالي 900 كيلومتر وهو الآن في المحيط الجنوبي. يتحرك قطب نصف الكرة القطبي الشمالي عبر المحيط المتجمد الشمالي باتجاه الشذوذ المغناطيسي لشرق سيبيريا ، وكانت سرعة حركته (وفقًا لبيانات عام 2004) حوالي 60 كيلومترًا في السنة. الآن هناك تسارع في حركة القطبين - في المتوسط ​​، تتزايد السرعة بمقدار 3 كيلومترات في السنة.

ما هي أهمية المجال المغناطيسي للأرض بالنسبة لنا؟بادئ ذي بدء ، يحمي المجال المغناطيسي للأرض الكوكب من الأشعة الكونية والرياح الشمسية. لا تسقط الجسيمات المشحونة من الفضاء السحيق مباشرة على الأرض ، لكنها تنحرف بواسطة مغناطيس عملاق وتتحرك على طول خطوط قوتها. وبالتالي ، فإن جميع الكائنات الحية محمية من الإشعاع الضار.

خلال تاريخ الأرض ، كان هناك العديد منها انقلابات(تغييرات) الأقطاب المغناطيسية. انقلاب القطبعندما يغيرون الأماكن. آخر مرة حدثت فيها هذه الظاهرة منذ حوالي 800 ألف سنة ، وكان هناك أكثر من 400 انعكاس مغناطيسي أرضي في تاريخ الأرض. يعتقد بعض العلماء أنه بالنظر إلى التسارع الملحوظ لحركة الأقطاب المغناطيسية ، يجب أن يكون انعكاس القطب التالي متوقع في الألف سنة القادمة.

لحسن الحظ ، لا يُتوقع حدوث انعكاس في الأقطاب في قرننا هذا. لذلك ، يمكنك التفكير في الحياة الممتعة والاستمتاع في الحقل الثابت القديم الجيد للأرض ، بعد النظر في الخصائص والخصائص الرئيسية للمجال المغناطيسي. ولكي تتمكن من القيام بذلك ، هناك مؤلفونا ، الذين يمكن أن يُعهد إليهم ببعض المشاكل التعليمية بثقة في النجاح! وأنواع العمل الأخرى التي يمكنك طلبها على الرابط.

كل شخص في العالم الحديث محاط بالعديد من الموجات والعناصر غير المرئية: المجالات المغناطيسية والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وإشارات من محطات الاتصالات المتنقلة. ومع ذلك ، فإن هذه "الكيانات" غير مرئية ، على الرغم من أنها تؤثر على جسم الإنسان ، ولا يمكن التعرف عليها إلا بمساعدة أجهزة خاصة.

ومع ذلك ، فقد ذهب العلماء اليابانيون إلى أبعد من ذلك لجعل الموجات غير مرئية للعين البشرية. أجرى الباحثون تجربة شملت فئران التجارب وعلموا هذه الحيوانات التعرف على المجالات المغناطيسية باستخدام بوصلة رقمية متصلة بالدماغ. تقرأ الجرذان المعلومات باستخدام الأقطاب الكهربائية ، وتعطي البوصلة نبضات عندما يدور رأس الحيوان في اتجاه أو آخر. خلال التجربة ، لم تتمكن الحيوانات من استخدام أعضاء الرؤية التي كانت مغطاة بإحكام بالأنسجة.

تفاجأ العلماء عندما لاحظوا أن القوارض تعلمت التعرف على مصدر جديد تمامًا للمعلومات. تبين أن فترة "التدريب" كانت قصيرة للغاية - فقط يومين أو ثلاثة أيام. بدأت الفئران في الإبحار بنجاح كبير في الفضاء والذهاب عبر متاهات بحثًا عن الطعام ، وقد فعلوا ذلك بكفاءة لا تقل عن الحيوانات العادية التي يمكنها التنقل بمساعدة أعينهم.

يعتقد الباحثون أنه باستخدام مثل هذه التكنولوجيا ، من الممكن تعليم الشخص "رؤية" المجالات المغناطيسية أو الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة السينية ، وسيكون ذلك بمثابة اكتساب مفيد للغاية بالنسبة لها.

محقل مغناطيسي- أحد مكونات المجال الكهرومغناطيسي ، والذي يتم بمساعدته التفاعل بين الجسيمات المشحونة كهربائيًا المتحركة.

يتسبب المجال المغناطيسي في تأثير القوة على الشحنات الكهربائية المتحركة. لا تتفاعل الشحنات الكهربائية الثابتة مع مجال مغناطيسي ، لكن الجسيمات الأولية ذات الدوران غير الصفري ، والتي لها عزمها المغناطيسي الخاص بها ، هي مصدر مجال مغناطيسي ويتسبب المجال المغناطيسي في تأثير القوة عليها ، حتى لو كانت كذلك. في راحه.
يتشكل مجال مغناطيسي ، على سبيل المثال ، في الفضاء حول موصل يتدفق من خلاله التيار أو حول مغناطيس دائم.

تشكيل مجال مغناطيسي

على عكس الشحنات الكهربائية ، لا يتم ملاحظة الشحنات المغناطيسية ، والتي من شأنها أن تخلق مجالًا مغناطيسيًا بطريقة مماثلة. من الناحية النظرية ، يمكن أن توجد مثل هذه الشحنات ، والتي تسمى أحادي القطب المغناطيسي. في هذه الحالة ، سيكون المجالان الكهربائي والمغناطيسي متماثلين تمامًا.

لذا فإن أصغر وحدة يمكنها إنتاج مجال مغناطيسي هي ثنائي القطب المغناطيسي. يختلف ثنائي القطب المغناطيسي من حيث أنه يحتوي دائمًا على قطبين حيث تبدأ خطوط المجال وتنتهي. ترتبط ثنائيات الأقطاب المغناطيسية المجهرية بدورات الجسيمات الأولية. كل من الجسيمات الأولية المشحونة ، مثل الإلكترونات ، والجسيمات المحايدة ، مثل النيوترونات ، لها ثنائي القطب المغناطيسي. يمكن اعتبار الجسيمات الأولية ذات السبين غير الصفري كمغناطيسات صغيرة. عادة ، تتزاوج الجسيمات ذات الدورات المعاكسة ، مما يؤدي إلى تعويض المجالات المغناطيسية التي أنشأتها ، ولكن في بعض الحالات من الممكن محاذاة تدور العديد من الجسيمات في اتجاه واحد ، مما يؤدي إلى تكوين مغناطيس دائم.

مجال مغناطيسي -يتم إنشاؤه أيضًا عن طريق تحريك الشحنات الكهربائية ، أي التيار الكهربائي.

يعتمد إنشاء مجال شحنة كهربائية على الإطار المرجعي. فيما يتعلق بالمراقب الذي يتحرك بنفس سرعة الشحنة ، فإن الشحنة ثابتة ، ومثل هذا المراقب سيصلح المجال الكهربائي لتيلك الذي أنشأه. مراقب آخر ، يتحرك بسرعة مختلفة ، يصلح المجالين الكهربائي والمغناطيسي. وبالتالي ، فإن المجالين الكهربائي والمغناطيسي مترابطان ، وهما مكونان من المجال الكهرومغناطيسي العام.

عندما يتدفق تيار كهربائي عبر موصل ، فإنه يظل محايدًا كهربائيًا ، لكن حاملات الشحنة تتحرك فيه ، لذلك ينشأ فقط مجال مغناطيسي حول الموصل. يتم تحديد حجم هذا المجال بواسطة قانون Biot-Savart ، ويمكن تحديد الاتجاه باستخدام قاعدة Ampere أو قاعدة اليد اليمنى. مثل هذا المجال هو دوامة ، أي خطوط قوتها مغلقة.

يتم إنشاء المجال المغناطيسي أيضًا بواسطة مجال كهربائي متناوب. وفقًا لقانون الحث الكهرومغناطيسي ، يولد المجال المغناطيسي المتناوب مجالًا كهربائيًا متناوبًا ، وهو أيضًا دوامة. يؤدي الخلق المتبادل لمجال كهربائي ومغناطيسي بالتناوب بين المجالات المغناطيسية والكهربائية إلى إمكانية انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في الفضاء.

عمل المجال المغناطيسي

يتم تحديد تأثير المجال المغناطيسي على الشحنات المتحركة بواسطة قوة لورنتز.
تسمى القوة المؤثرة على الموصل الحامل للتيار في مجال مغناطيسي بقوة الأمبير. يتم تحديد قوى تفاعل الموصلات مع التيار بموجب قانون أمبير.
يمكن سحب المواد المحايدة بدون كهرباء إلى مجال مغناطيسي (بارامغناطيس) أو دفعها للخارج (مغناطيس قطني). يمكن استخدام دفع المغناطيسات المغناطيسية خارج المجال المغناطيسي للرفع.
المغناطيسات الحديدية ممغنطة في مجال مغناطيسي وتحتفظ بلحظة مغناطيسية عند إزالة المجال المطبق.

الوحدات

يتم قياس الحث المغناطيسي B في النجار في نظام SI ، وفي Gauss في نظام CGS. يتم قياس شدة المجال المغناطيسي H بوحدة A / m في نظام CI وفي Oersted في نظام CGS.

قياس

يقاس المجال المغناطيسي بمقاييس المغناطيسية. تحدد مقاييس المغناطيسية الميكانيكية حجم المجال عن طريق انحراف الملف الحالي. تُقاس المجالات المغناطيسية الضعيفة بمقاييس المغناطيسية بناءً على تأثير جوزيفسون - الحبار. يمكن قياس المجال المغناطيسي بناءً على تأثير الرنين المغناطيسي النووي وتأثير هول وطرق أخرى.

خلق

يستخدم المجال المغناطيسي على نطاق واسع في التكنولوجيا والأغراض العلمية. لإنشائه ، يتم استخدام مغناطيس دائم ومغناطيس كهربائي. يمكن الحصول على مجال مغناطيسي موحد باستخدام ملفات Helmholtz. تُستخدم المغناطيسات الكهربائية الموجودة على الموصلات الفائقة لإنشاء مجالات مغناطيسية قوية ضرورية لتشغيل المعجلات أو لحصر البلازما في منشآت الاندماج النووي.