צורה מיוחדת לקיום החומר - השדה המגנטי של כדור הארץ תרם למקורם ולשימור החיים. שברי שדה זה, חתיכות עפרות, מושכות ברזל, הובילו חַשְׁמַל לשירות האנושות. ללא חשמל, ההישרדות אינה מתקבלת על הדעת.
תוֹכֶן
מהם קווים של אינדוקציה מגנטית
השדה המגנטי נקבע לפי העוצמה בכל נקודה בחלל שלה. עקומות המאחדות נקודות שדה בעלות חוזק שווה בגודלן נקראות קווי אינדוקציה מגנטית. עוצמת השדה המגנטי בנקודה מסוימת היא מאפיין הספק, וקטור השדה המגנטי B משמש להערכתו. הכיוון שלו בנקודה מסוימת על קו האינדוקציה המגנטי מתרחש באופן משיק אליו.
אם נקודה בחלל מושפעת ממספר שדות מגנטיים, אזי העוצמה נקבעת על ידי סיכום וקטורי האינדוקציה המגנטיים של כל שדה מגנטי הפועל. במקרה זה, העוצמה בנקודה מסוימת מסוכמת בערך מוחלט, וקטור האינדוקציה המגנטי מוגדר כסכום הוקטורים של כל השדות המגנטיים.
למרות העובדה שקווי האינדוקציה המגנטית אינם נראים, יש להם תכונות מסוימות:
- מקובל בדרך כלל שקווי השדה המגנטי יוצאים בקוטב (N) וחוזרים מ-(S).
- כיוון וקטור האינדוקציה המגנטי משיק לקו.
- למרות הצורה המורכבת, הקימורים אינם מצטלבים ובהכרח נסגרים.
- השדה המגנטי בתוך המגנט אחיד וצפיפות הקו מקסימלית.
- רק קו אחד של אינדוקציה מגנטית עובר דרך נקודת השדה.
כיוון הקווים של אינדוקציה מגנטית בתוך מגנט קבוע
מבחינה היסטורית, במקומות רבים על פני כדור הארץ, הבחינו זה מכבר באיכות הטבעית של כמה אבנים למשוך מוצרי ברזל. עם הזמן, בסין העתיקה, חיצים שנחצבו בצורה מסוימת מחתיכות עפרות ברזל (עפרת ברזל מגנטית) הפכו למצפנים, המראים את הכיוון לקוטב הצפוני והדרומי של כדור הארץ ומאפשרים לנווט בשטח.
מחקרים על תופעת טבע זו קבעו כי תכונה מגנטית חזקה יותר נמשכת זמן רב יותר בסגסוגות ברזל. מגנטים טבעיים חלשים יותר הם עפרות המכילות ניקל או קובלט. בתהליך לימוד החשמל למדו מדענים כיצד להשיג מוצרים ממוגנטים באופן מלאכותי מסגסוגות המכילות ברזל, ניקל או קובלט.לשם כך, הם הוכנסו לשדה מגנטי שנוצר על ידי זרם חשמלי ישיר, ובמידת הצורך, דה-מגנטים על ידי זרם חילופין.
למוצרים הממוגנטים בתנאים טבעיים או שהתקבלו באופן מלאכותי יש שני קטבים שונים - המקומות שבהם המגנטיות מרוכזת ביותר. מגנטים מקיימים אינטראקציה זה עם זה באמצעות שדה מגנטי כך שקטבים דומים דוחים ובניגוד לקטבים מושכים. זה יוצר מומנטים להתמצאות שלהם בחלל של שדות חזקים יותר, כמו שדה כדור הארץ.
ייצוג ויזואלי של האינטראקציה של אלמנטים ממוגנטים חלש ומגנט חזק נותן את החוויה הקלאסית עם סיבי פלדה מפוזרים על קרטון ומגנט שטוח מתחתיו. במיוחד אם הנסורת היא מאורכת, ניתן לראות בבירור כיצד הם מסתדרים לאורך קווי השדה המגנטי. על ידי שינוי מיקום המגנט מתחת לקרטון, נצפה שינוי בתצורת התמונה שלהם. השימוש במצפנים בניסוי זה משפר עוד יותר את ההשפעה של הבנת מבנה השדה המגנטי.
אחת התכונות של קווי כוח מגנטיים, שהתגלתה על ידי מ. פאראדיי, מעידה על כך שהם סגורים ומתמשכים. קווים היוצאים מהקוטב הצפוני של מגנט קבוע נכנסים לקוטב הדרומי. אולם בתוך המגנט הם אינם נפתחים ונכנסים מהקוטב הדרומי לצפון. מספר הקווים בתוך המוצר הוא מקסימלי, השדה המגנטי אחיד, והאינדוקציה עלולה להיחלש בעת ביטול מגנט.
קביעת כיוון וקטור האינדוקציה המגנטי באמצעות כלל הגימלט
בתחילת המאה ה-19 גילו מדענים ששדה מגנטי נוצר סביב מוליך שזרם זורם דרכו. קווי הכוח המתקבלים מתנהגים על פי אותם כללים כמו עם מגנט טבעי.יתר על כן, האינטראקציה של השדה החשמלי של מוליך עם הזרם והשדה המגנטי שימשה כבסיס לדינמיקה אלקטרומגנטית.
הבנת האוריינטציה במרחב של כוחות בשדות המקיימים אינטראקציה מאפשרת לנו לחשב את הוקטורים הציריים:
- אינדוקציה מגנטית;
- הגודל והכיוון של זרם האינדוקציה;
- מהירות זוויתית.
הבנה כזו התגבשה בכלל הגימלט.
בשילוב תנועת התרגום של הגימלט הימני עם כיוון הזרם במוליך, אנו מקבלים את הכיוון של קווי השדה המגנטי, אשר מצוין על ידי סיבוב הידית.
לא בהיותו חוק פיזיקה, כלל הגימלט בהנדסת חשמל משמש לא רק לקביעת כיוון קווי השדה המגנטי בהתאם לווקטור הזרם במוליך, אלא גם להיפך, לקביעת כיוון הזרם בחוטי הסולנואיד עקב סיבוב קווי האינדוקציה המגנטיים.
הבנת הקשר הזה אפשרה לאמפר לבסס את חוק השדות המסתובבים, מה שהוביל ליצירת מנועים חשמליים בעלי עקרונות שונים. כל הציוד הנשלף המשתמש במשרנים פועל לפי כלל הגימלט.
שלטון יד ימין
קביעת כיוון הזרם הנע בשדה מגנטי של מוליך (צד אחד של לולאה סגורה של מוליכים) מדגים בבירור את כלל יד ימין.
כתוב שכף יד ימין, מופנית לקוטב N (קווי שדה נכנסים לכף היד), והאגודל המוטה ב-90 מעלות מראה את כיוון התנועה של המוליך, ואז במעגל סגור (סליל) השדה המגנטי משרה זרם חשמלי , וקטור התנועה שלו מצביעות ארבע אצבעות.
כלל זה מדגים כיצד הופיעו מחוללי DC במקור. כוח טבע מסוים (מים, רוח) סובב מעגל סגור של מוליכים בשדה מגנטי, ויצר חשמל. ואז המנועים, לאחר שקיבלו זרם חשמלי בשדה מגנטי קבוע, המירו אותו לתנועה מכנית.
כלל יד ימין נכון גם עבור משרנים. תנועת הליבה המגנטית בתוכם מובילה להופעת זרמי אינדוקציה.
אם ארבע אצבעות יד ימין מיושרות עם כיוון הזרם בסיבובי הסליל, אז האגודל שסטה ב-90 מעלות יצביע על הקוטב הצפוני.
חוקי הגימלט ויד ימין מדגימים בהצלחה את האינטראקציה של שדות חשמליים ומגנטיים. הם מאפשרים להבין את פעולתם של מכשירים שונים בהנדסת חשמל כמעט לכולם, לא רק למדענים.
מאמרים דומים:
