Longitud y distancia Masa Medidas de volumen de sólidos a granel y alimentos Área Volumen y unidades de medida en recetas culinarias Temperatura Presión, tensión mecánica, módulo de Young Energía y trabajo Potencia Fuerza Tiempo Velocidad lineal Ángulo plano Eficiencia térmica y eficiencia de combustible Números Unidades para medir la cantidad de información Tipos de cambio Dimensiones de ropa y calzado de mujer Tallas de ropa y calzado de hombre Velocidad angular y frecuencia de rotación Aceleración Aceleración angular Densidad Volumen específico Momento de inercia Momento de fuerza Torque Calor específico de combustión (en masa) Densidad de energía y calor específico de combustión del combustible (en volumen) Diferencia de temperatura Coeficiente de expansión térmica Resistencia térmica Conductividad térmica específica Capacidad calorífica específica Exposición a la energía, potencia de radiación térmica Densidad de flujo de calor Coeficiente de transferencia de calor Flujo volumétrico Flujo másico Flujo molar Densidad de flujo másico Concentración molar Concentración másica en solución Viscosidad dinámica (absoluta) Viscosidad cinemática Tensión superficial Permeabilidad al vapor Permeabilidad al vapor, tasa de transferencia de vapor Nivel de sonido Sensibilidad del micrófono Nivel de presión sonora (SPL) Brillo Intensidad luminosa Iluminación Gráficos por computadora Resolución Frecuencia y longitud de onda Potencia de dioptrías y distancia focal Potencia de dioptrías y aumento de lente (×) Carga eléctrica Densidad de carga lineal Densidad de carga superficial Volumen Densidad de carga Corriente eléctrica Densidad lineal corriente Densidad de corriente superficial Voltaje campo eléctrico Potencial electrostático y voltaje Resistencia eléctrica Resistividad eléctrica Conductividad eléctrica Conductividad eléctrica Capacidad eléctrica Inductancia Calibre de cable americano Niveles en dBm (dBm o dBmW), dBV (dBV), vatios y otras unidades Fuerza magnetomotriz Voltaje campo magnético Flujo magnético Inducción magnética Tasa de dosis absorbida de radiación ionizante Radioactividad. Radiación de desintegración radiactiva. Dosis de exposición Radiación. Dosis absorbida Prefijos decimales Transmisión de datos Tipografía y procesamiento de imágenes Unidades de volumen de madera Cálculo de masa molar Tabla periódica de elementos químicos D. I. Mendeleev

1 amperio por metro [A/m] = 0,01 amperio por centímetro [A/cm]

Valor inicial

Valor convertido

amperios por metro amperios por centímetro amperios por pulgada amperios por metro abamper por centímetro abamper por pulgada oersted gilbert/centímetro amperios por milímetro miliamperios por metro miliamperios por decímetro miliamperios por centímetro miliamperios por milímetro microamperios por metro microamperios por decímetro microamperios por centímetro microamperios por milímetro

Densidad de corriente lineal, superficial y volumétrica.

Introducción

Las cargas colocadas en un campo electrostático con diferencia de potencial comienzan a moverse. Este movimiento se llama corriente eléctrica, que se define como el movimiento dirigido (ordenado) de partículas cargadas a través de cualquier sección transversal de un medio conductor. La magnitud de esta corriente depende de la resistencia del medio conductor a este movimiento de cargas, que, a su vez, depende de la sección transversal del conductor.

Cabe señalar que en ingeniería eléctrica las cantidades físicas básicas, es decir, la unidad de medida de la corriente eléctrica, el amperio, y la unidad de medida de la carga eléctrica, el culombio, a menudo se relacionan entre sí mediante una unidad de longitud: el metro. Y esto no es sin razón. La carga que fluye a través de la sección transversal de un medio conductor suele estar distribuida de manera desigual. Por lo tanto, sería bastante natural determinar el flujo de partículas cargadas a través de una unidad de sección transversal o unidad de longitud, en otras palabras, determinar la densidad de corriente. En este artículo compararemos electricidad y densidad de corriente, y considerar la importancia de lograr, mantener y medir la densidad de corriente requerida en diversos campos de la ingeniería eléctrica y electrónica.

Definiciones

Electricidad

corriente electrica yo definido como movimiento dirigido cargas eléctricas a lo largo de una línea (por ejemplo, un cable delgado), a lo largo de una superficie (por ejemplo, a lo largo de una lámina de material conductor) o en un volumen (por ejemplo, en una lámpara electrónica o de descarga de gas). La unidad SI de corriente eléctrica es el amperio, definido como el flujo de cargas eléctricas a través de una sección transversal de un conductor a razón de un culombio por segundo.

Densidad de corriente de volumen

Densidad actual(también llamada densidad de corriente volumétrica) es campo vectorial en un espacio conductor tridimensional. En cada punto de dicho espacio, la densidad de corriente representa el flujo total de cargas eléctricas por unidad de tiempo que pasan a través de una sección transversal unitaria. Indicado por la densidad aparente con un símbolo vectorial j. Si consideramos el caso ordinario de un conductor que transporta corriente, la corriente en amperios se divide por la sección transversal del conductor. En SI, la densidad de corriente volumétrica se mide en amperios por metro cuadrado (A/m²).

Por ejemplo, si a lo largo de una potente barra colectora de una subestación eléctrica fluye una corriente de 50 amperios con una sección transversal de 3 x 33,3 mm = 100 mm² = 0,0001 m², entonces la densidad de corriente en dicho conductor será de 500.000 A/m².

Densidad de corriente lineal

A veces, en los dispositivos electrónicos, la corriente fluye a través de una película de metal muy delgada o una capa delgada de metal que tiene un espesor variable. En tales casos, a los investigadores y diseñadores sólo les interesa el ancho y no la sección transversal total de conductores tan delgados. En este caso miden densidad de corriente lineal- una cantidad vectorial igual al límite del producto de la densidad de la corriente de conducción que fluye en una capa delgada cerca de la superficie del cuerpo y el espesor de esta capa cuando esta última tiende a cero (esta es la definición según GOST 19880 -74). En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la densidad de corriente lineal se mide en amperios por metro y en el sistema CGS en oersteds. 1 oersted es igual a la intensidad del campo magnético en el vacío con una inducción de 1 gauss. De lo contrario, la densidad de corriente lineal se define como la corriente por unidad de longitud en la dirección perpendicular a la corriente.

Por ejemplo, si una corriente de 100 mA fluye por un conductor delgado de 1 mm de ancho, entonces la densidad de corriente lineal es 0,0001 A: 0,001 m = 10 amperios por metro (A/m). La densidad de corriente lineal se indica mediante un símbolo vectorial A.

Densidad de corriente superficial

La densidad de corriente lineal está estrechamente relacionada con el concepto. densidad de corriente superficial, que se define como la intensidad de la corriente eléctrica que fluye a través de la sección transversal de un medio conductor de unidad de área y se denota con el símbolo vectorial k. Al igual que la densidad de corriente lineal, la densidad de corriente superficial también es una cantidad vectorial, cuya magnitud representa la corriente eléctrica a través de la sección transversal de un medio conductor en un lugar determinado, y la dirección es perpendicular al área de la sección transversal de el conductor. Un medio conductor de este tipo puede ser, por ejemplo, un conductor portador de corriente, un electrolito o un gas ionizado. En el sistema SI, la densidad de corriente se mide en amperios por metro cuadrado.

¿Vector o escalar?

Tenga en cuenta que, a diferencia del vector de densidad de corriente, la corriente en sí es una cantidad escalar. Esto se puede explicar por el hecho de que la corriente se define como número de cargas que se mueven por unidad de tiempo; por lo tanto, sería inapropiado agregar dirección a una cantidad que representa cantidad por unidad de tiempo. Al mismo tiempo, la densidad de corriente se considera en un volumen con muchas secciones transversales a través de las cuales pasa la corriente, por lo que tiene sentido definir la densidad de corriente como un vector o como un espacio vectorial. También se puede observar que la densidad de corriente es un vector debido a que es el producto de la densidad de carga por la velocidad de su movimiento en cualquier lugar del espacio.

Densidad de corriente en ingeniería eléctrica y electrónica.

La alta densidad de corriente lineal en los cables tiene consecuencias desagradables. Todos los conductores de corriente eléctrica tienen una resistencia finita, por lo que, cuando fluye corriente, se calientan y disipan energía en forma de calor. En este sentido, la densidad de corriente debe mantenerse baja para que el conductor durante el funcionamiento no se caliente por encima de la temperatura permitida y, además, no se derrita. El sobrecalentamiento puede causar daños o cambios en el aislamiento. propiedades electricas, por ejemplo, debido a la formación de una capa de óxido. Esta capa de óxido reduce el área de la sección transversal del conductor, lo que a su vez conduce a un aumento aún mayor en la densidad de corriente a través del conductor.

La densidad de corriente lineal se utiliza ampliamente en el cálculo y diseño de sistemas electrónicos y eléctricos. Es importante, por ejemplo, al calcular circuitos integrados, cuya densidad de elementos (el número de elementos por unidad de volumen) aumenta constantemente. Aunque cada elemento consume corrientes muy pequeñas, las densidades de corriente en el chip pueden ser muy altas para lograr el máximo número posible de elementos en un solo chip. En los albores del desarrollo de la microelectrónica, el número de elementos de los circuitos integrados se duplicaba cada año. Ahora (en 2016) se duplica aproximadamente cada dos años. Este patrón se llama Ley de Moore, el nombre de uno de los fundadores de Intel, quien en 1965 llegó a la conclusión sobre el crecimiento exponencial en el rendimiento de los dispositivos informáticos e hizo el pronóstico correspondiente para los próximos diez años. Más tarde, en 1975, Moore revisó su pronóstico y predijo que el rendimiento de los microprocesadores se duplicaría cada dos años.

Por ejemplo, el microprocesador Intel 4004 de cuatro bits lanzado en 1971 tenía solo 2300 transistores en un chip con un área de 3x4 mm o 12 metros cuadrados. mm, que era sólo unos 200 transistores por milímetro cuadrado. En comparación, el microprocesador Power8 de 12 núcleos lanzado en 2013 incluye 4.200 millones de transistores en una matriz de 650 metros cuadrados. mm. Es decir, en cada casilla. Hay alrededor de 6,5 millones de transistores ubicados por milímetro. En este caso, cada transistor consume una corriente determinada, aunque muy pequeña. Dado que todos ellos están ubicados en un volumen muy pequeño, surge el problema de enfriar dichos microcircuitos.

En corriente alterna, especialmente a altas frecuencias, la zona conductora de los cables se encuentra solo en su capa superficial, como resultado de lo cual aumenta la densidad de corriente en los cables, lo que conduce a pérdidas de energía debido al calentamiento o incluso a la fusión del cable. . Este fenómeno de disminución de la amplitud de las ondas electromagnéticas a medida que penetran profundamente en el conductor se llama efecto piel o efecto superficie. Para reducir las pérdidas a altas frecuencias, los conductores se recubren con plata u oro, materiales de baja resistividad. También a menudo, en lugar de un cable grueso, se utilizan varios (de tres a mil o más) cables delgados aislados (alambre Litz). En particular, el alambre Litz se utiliza para enrollar inductores en hornos de inducción.

A altas densidades de corriente, existe un movimiento real de materiales en las juntas, llamado electromigración. Este movimiento es causado por la deriva de iones materiales, resultante del intercambio de impulso durante las colisiones entre los portadores de conductividad y la red atómica del conductor. El efecto de electromigración juega un papel importante en los casos en que las corrientes tienen una alta densidad, por ejemplo, en la misma microelectrónica mencionada anteriormente. Cuanto mayor sea la densidad de los grandes circuitos integrados, más notable será este efecto. Como resultado de la electromigración, puede ocurrir la destrucción completa del conductor o puede aparecer un nuevo conductor donde no debería existir, es decir, se produce un cortocircuito. Por tanto, una mayor densidad de corriente conduce a una menor fiabilidad de los circuitos integrados. Al diseñar microcircuitos, generalmente se tiene en cuenta la influencia de la electromigración, por lo que los microcircuitos modernos altamente integrados rara vez fallan por este motivo.

El término densidad de corriente, o más específicamente la densidad de corriente superficial en mA/cm² producida por una unidad de área de una célula solar, se utiliza a menudo para describir las características de las células solares. La densidad de corriente de cortocircuito de una fotocélula es una característica importante de la eficiencia de convertir la energía solar en energía eléctrica. Este enfoque es útil para comparar células solares de diferentes fabricantes. Mientras que el voltaje de una célula solar está determinado por el número de células solares individuales, la corriente suministrada por la batería depende principalmente de la superficie de la batería iluminada por la luz solar y de la eficiencia de las células solares. Las fotocélulas suelen fabricarse en tamaños de 100x100 mm = 100 cm² y permiten una corriente de 3,5 A o una densidad de corriente de 3,5: 100 = 35 mA/cm² de cada fotocélula. Tenga en cuenta que la definición de densidad de corriente superficial en las fotocélulas difiere de la definición anterior de densidad de corriente superficial.

La densidad de corriente es una de las principales características que determinan la calidad de los productos chapados en cromo y otros metales. Al cromar, se aplica una fina capa de cromo a un producto de metal o plástico, que tiene propiedades decorativas y alta resistencia a la corrosión. El cromado también se utiliza para aumentar la dureza y la resistencia al desgaste de las superficies y para reducir la fricción y aumentar la resistencia a la corrosión en pares de fricción que funcionan en condiciones adversas. El cromado también se utiliza para reconstruir superficies desgastadas de piezas con el fin de restaurar sus dimensiones originales.

Para su uso en la industria automotriz, los productos de acero están recubiertos con varios recubrimientos galvánicos para garantizar que las piezas sean resistentes a los cambios de temperatura y humedad cuando se usan al aire libre. Normalmente se utiliza un triple revestimiento: primera capa de cobre, luego níquel y finalmente cromo. La temperatura y la densidad de corriente en el baño inciden en la uniformidad del revestimiento de cromo, lo que asegura su pureza y, por tanto, su reflectividad.

Medición de densidad actual

El baño de galvanoplastia, en el que se aplican revestimientos metálicos, es exactamente el lugar donde es necesario medir la densidad de corriente en un medio conductor líquido: el electrolito en el baño de galvanoplastia. En este caso, es necesario calcular o medir la superficie de la pieza que se está recubriendo con metal, así como medir la corriente que fluye en el baño desde el ánodo a la pieza. Se producen instrumentos que permiten la medición directa de la densidad de corriente en cualquier punto del baño. permiten a los trabajadores taller galvánico Mida con precisión cómo avanza el proceso de recubrimiento del metal en cada punto del producto. Un medidor de densidad de corriente de electrolito suele consistir en un sensor con una pequeña bobina toroidal y una unidad de medición con una pantalla que mide la corriente inducida en la bobina por la corriente en el electrolito dentro de ella. El procesador de estos dispositivos determina el valor de la densidad de corriente en el punto de medición basándose en la corriente medida y el área de la bobina y lo muestra directamente en A/ft² o A/dm².

Otro ejemplo de medición de la densidad de corriente son las células solares. Normalmente, las densidades de corriente de cortocircuito se distribuyen de manera desigual sobre la superficie de las fotocélulas. Las diferencias en las densidades de corriente pueden deberse a diferentes vidas útiles de las portadoras en una fotocélula, diferentes distancias a los terminales y otros factores. Los investigadores están interesados en obtener un mapa de la distribución de las densidades de corriente en toda el área de la fotocélula. Para medir la densidad de corriente, se ilumina una fotocélula con un haz de electrones muy estrecho o un haz de luz que escanea la superficie de la fotocélula. En este caso, se registra la fotocorriente resultante. Esto crea un mapa de densidades de corriente, que luego puede usarse para optimizar el dispositivo.

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información general

Sorprendentemente, las ideas de una persona pueden influir en el desarrollo posterior de la sociedad humana en su conjunto. Una persona así era Michael Faraday, no muy versado en las complejidades de las matemáticas contemporáneas, pero que entendía perfectamente significado fisico información conocida en ese momento sobre la naturaleza de la electricidad y el magnetismo gracias al concepto de interacciones de campo propuesto por él.

existencia sociedad moderna, basado en el uso de la electricidad, el magnetismo y la electrodinámica, se lo debemos a toda una galaxia de científicos maravillosos. Entre ellos cabe destacar a Ampere, Oersted, Henry, Gauss, Weber, Lorentz y, por supuesto, Maxwell. Al final, reunieron la ciencia de la electricidad y el magnetismo en una sola imagen, que sirvió de base para toda una cohorte de inventores que, con sus creaciones, crearon las condiciones previas para el surgimiento de una sociedad de la información moderna.

Vivimos rodeados de motores y generadores eléctricos: son nuestros primeros ayudantes en la producción, en el transporte y en la vida cotidiana. Cualquier persona que se precie no puede imaginarse la existencia sin un frigorífico, una aspiradora y lavadora. La prioridad también es un horno microondas, un secador de pelo, un molinillo de café, una batidora, una licuadora y, el sueño supremo, una picadora de carne eléctrica y una máquina para hacer pan. Por supuesto, un aire acondicionado también es algo muy útil, pero si no tienes dinero para comprarlo, un simple ventilador te servirá.

Algunos hombres tienen necesidades algo más modestas: el sueño supremo del hombre más inepto es un taladro eléctrico. Algunos de nosotros, tratando sin éxito de arrancar un automóvil en una helada de cuarenta grados y atormentando irremediablemente el motor de arranque (también un motor eléctrico), soñamos en secreto con comprar un automóvil producido por Tesla Motors con motores eléctricos y baterías para olvidarnos para siempre de los problemas. de motores de gasolina y diésel.

Los motores eléctricos están en todas partes: nos elevan en ascensores, nos transportan en metros, trenes eléctricos, tranvías, trolebuses y trenes de alta velocidad. Nos entregan agua en los pisos de los rascacielos, manejan fuentes, bombean agua de minas y pozos, laminan acero, levantan pesas y trabajan en varias grúas. Y hacen muchas otras cosas útiles, poniendo en movimiento máquinas, herramientas y mecanismos.

Incluso los exoesqueletos para personas con discapacidad y para el ejército se fabrican con motores eléctricos, por no hablar de todo un ejército de robots industriales y de investigación.

Hoy en día, los motores eléctricos funcionan en el espacio; basta recordar el rover Curiosity. Trabajan en la tierra, bajo tierra, en el agua, bajo el agua e incluso en el aire; no hoy, sino mañana (el artículo fue escrito en noviembre de 2015), el avión Solar Impulse 2 finalmente terminará su viaje alrededor del mundo y los vehículos aéreos no tripulados. En los motores eléctricos simplemente no hay números. No es de extrañar que empresas bastante serias estén trabajando en servicios de entrega postal utilizando vehículos aéreos no tripulados.

Referencia histórica

Construida en 1800 por el físico italiano Alessandro Volta, la batería química, más tarde llamada “Columna Voltaica” en honor a su inventor, resultó ser verdaderamente una “cornucopia” para los científicos. Permitió poner en movimiento cargas eléctricas en conductores, es decir, crear una corriente eléctrica. Continuamente se sucedieron nuevos descubrimientos utilizando la columna voltaica en diversos campos de la física y la química.

Por ejemplo, el científico inglés Sir Humphry Davy en 1807, mientras estudiaba la electrólisis de hidróxidos de sodio y potasio fundidos, obtuvo sodio y potasio metálicos. Anteriormente, en 1801, descubrió el arco eléctrico, aunque los rusos consideran que su descubridor fue Vasily Vladimirovich Petrov. Petrov en 1802 describió no solo el arco en sí, sino también las posibilidades de su uso práctico para fundir, soldar metales y recuperarlos de minerales, así como para la iluminación.

Pero el descubrimiento más importante lo hizo el físico danés Hans Christian Oersted: el 21 de abril de 1820, durante una demostración de experimentos en una conferencia, notó la desviación de la aguja de una brújula magnética al encender y apagar una corriente eléctrica que fluía. a través de un conductor en forma de alambre. Esta fue la primera vez que se confirmó la relación entre la electricidad y el magnetismo.

El siguiente paso lo dio el físico francés André Marie Ampère unos meses más tarde, tras conocer el experimento de Oersted. Es curioso el razonamiento de este científico, plasmado en los mensajes que envió uno tras otro a la Academia de Ciencias de Francia. Al principio, al observar la rotación de la aguja de la brújula sobre un conductor portador de corriente, Ampere sugirió que el magnetismo de la Tierra también era causado por las corrientes que fluían alrededor de la Tierra en dirección de oeste a este. De esto concluyó que las propiedades magnéticas de un cuerpo pueden explicarse por la circulación de corriente en su interior. Además, Ampere concluyó audazmente que las propiedades magnéticas de cualquier cuerpo están determinadas por corrientes eléctricas cerradas en su interior, y la interacción magnética no es causada por cargas magnéticas especiales, sino simplemente por el movimiento de cargas eléctricas, es decir, por la corriente.

Ampere inmediatamente comenzó un estudio experimental de esta interacción y descubrió que los conductores con corriente que fluye en una dirección son atraídos y en la dirección opuesta se repelen. Los conductores mutuamente perpendiculares no interactúan entre sí.

Es difícil resistirse a citar la ley descubierta por Ampère en su propia formulación:

“La fuerza de interacción entre cargas en movimiento es proporcional al producto de estas cargas, inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas, como en la ley de Coulomb, pero, además, también depende de las velocidades de estas cargas y de la dirección de su movimiento”.

Así se descubrieron en la física las fuerzas fundamentales que dependen de la velocidad.

Pero el verdadero avance en la ciencia de la electricidad y el magnetismo fue el descubrimiento por parte de Michael Faraday del fenómeno. inducción electromagnética- la aparición de corriente eléctrica en un circuito cerrado al cambiar flujo magnético, pasando por él. Independientemente de Faraday, el fenómeno de la inducción electromagnética también fue descubierto por Joseph Henry en 1832, quien simultáneamente descubrió el fenómeno de la autoinducción.

La demostración pública de Faraday el 29 de agosto de 1831 se realizó en una instalación que inventó y que consistía en un poste voltaico, un interruptor y un anillo de hierro, sobre el cual se enrollaban en lados opuestos dos bobinas idénticas de alambre de cobre. Una de las bobinas estaba conectada a una batería a través de un interruptor y un galvanómetro estaba conectado a los extremos de la otra. Al encender y apagar la corriente, el galvanómetro detectó la aparición de una corriente de diferentes direcciones en la segunda bobina.

En los experimentos de Faraday, también apareció una corriente eléctrica, llamada corriente inducida, cuando se insertaba un imán en una bobina o se retiraba de una bobina cargada en un circuito de medición. De manera similar, apareció corriente cuando una bobina más pequeña con corriente entraba o salía de la bobina más grande del experimento anterior. Además, la dirección de la corriente de inducción cambiaba al contrario al introducir/extender un imán o una pequeña bobina con corriente de acuerdo con la regla formulada por el científico ruso Emil Christianovich Lenz. en 1833.

A partir de sus experimentos, Faraday dedujo la ley de la fuerza electromotriz, que más tarde recibió su nombre.

Las ideas y los resultados de los experimentos de Faraday fueron reinterpretados y generalizados por otro gran compatriota, el brillante físico y matemático inglés James Clerk Maxwell, en sus cuatro ecuaciones diferenciales de la electrodinámica, más tarde llamadas ecuaciones de Maxwell.

Cabe señalar que en tres de las cuatro ecuaciones de Maxwell la inducción magnética aparece en forma de un vector de campo magnético.

Inducción magnética. Definición

La inducción magnética es vectorial. cantidad física, que es la fuerza característica del campo magnético (su acción sobre partículas cargadas) en un punto determinado del espacio. Determina con qué fuerza F El campo magnético actúa sobre la carga. q, moviéndose a velocidad v. Denotado por una letra latina EN(pronunciado vector B) y la fuerza se calcula usando la fórmula:

F = q [v∙B]

Dónde F-Fuerza de Lorentz que actúa desde el campo magnético sobre la carga. q; v- velocidad de movimiento de la carga; B- inducción de campo magnético; [ v × B] - producto vectorial de vectores v Y B.

Algebraicamente, la expresión se puede escribir como:

F = q∙v∙B∙pecado α

Dónde α - el ángulo entre los vectores de velocidad y de inducción magnética. Dirección vectorial F perpendicular a ambos y dirigida según la regla de la mano izquierda.

La inducción magnética es la principal característica fundamental de un campo magnético, similar al vector de intensidad del campo eléctrico.

En el Sistema Internacional de Unidades SI, la inducción del campo magnético se mide en tesla (T), en el sistema CGS, en gauss (G).

1T = 10⁴G

En el convertidor de unidades físicas se pueden encontrar otras cantidades para medir la inducción magnética utilizadas en diversas aplicaciones y sus conversiones de una cantidad a otra.

Los instrumentos de medida para medir la magnitud de la inducción magnética se denominan teslámetros o gaussímetros.

Inducción de campos magnéticos. Física de los fenómenos.

Dependiendo de la reacción a un campo magnético externo, todas las sustancias se dividen en tres grupos:

Diamagnetos
Paramagnetos
Ferroimanes

Los términos diamagnetismo y paramagnetismo fueron introducidos por Faraday en 1845. Para cuantificar estas reacciones se introdujo el concepto de permeabilidad magnética. Introducido en el sistema SI. absoluto permeabilidad magnética, medida en Gn/m, y relativo permeabilidad magnética adimensional, igual a la relación entre la permeabilidad de un medio dado y la permeabilidad del vacío. Para los materiales diamagnéticos, la permeabilidad magnética relativa es ligeramente menor que la unidad, y para los materiales paramagnéticos, es ligeramente mayor que la unidad. En los ferromagnetos, la permeabilidad magnética es significativamente mayor que la unidad y no es lineal.

Fenómeno diamagnetismo radica en la capacidad de una sustancia de contrarrestar los efectos de un campo magnético externo debido a la magnetización en contra de su dirección. Es decir, los materiales diamagnéticos son repelidos por un campo magnético. En este caso, los átomos, moléculas o iones de un material diamagnético adquieren un momento magnético dirigido contra el campo externo.

Fenómeno paramagnetismo radica en la capacidad que tiene una sustancia de magnetizarse cuando se expone a un campo magnético externo. A diferencia de los materiales diamagnéticos, los materiales paramagnéticos son atraídos por un campo magnético. En este caso, los átomos, moléculas o iones del paramagnético adquieren un momento magnético en la dirección que coincide con la dirección del campo magnético externo. Cuando se elimina el campo, los materiales paramagnéticos no retienen la magnetización.

Fenómeno ferromagnetismo Consiste en la capacidad de una sustancia de magnetizarse espontáneamente en ausencia de un campo magnético externo o de magnetizarse bajo la influencia de un campo magnético externo y retener la magnetización cuando se elimina el campo. Además, la mayoría de los momentos magnéticos de átomos, moléculas o iones son paralelos entre sí. Este orden se mantiene hasta que las temperaturas bajan de cierto punto crítico, llamado punto de Curie. A temperaturas superiores al punto de Curie para una sustancia determinada, los ferromagnetos se convierten en paramagnetos.

La permeabilidad magnética de los superconductores es cero.

La permeabilidad magnética absoluta del aire es aproximadamente igual a la permeabilidad magnética del vacío y en cálculos técnicos se considera igual a 4π 10 ⁻⁷ H/m

Características del comportamiento del campo magnético en diamagnetos.

Como se indicó anteriormente, los materiales diamagnéticos crean un campo magnético inducido dirigido contra el campo magnético externo. El diamagnetismo es un efecto mecánico cuántico inherente a todas las sustancias. En los paramagnetos y ferromagnetos se equilibra debido a otros efectos más fuertes.

Los diamagnetos incluyen, por ejemplo, sustancias tales como gases inertes, nitrógeno, hidrógeno, silicio, fósforo y carbono pirolítico; algunos metales: bismuto, zinc, cobre, oro, plata. Muchos otros compuestos orgánicos e inorgánicos también son diamagnéticos, incluida el agua.

En un campo magnético no uniforme, los materiales diamagnéticos se desplazan a una región de campo más débil. Las líneas de fuerza magnética parecen ser expulsadas del cuerpo por materiales diamagnéticos. En esta propiedad se basa el fenómeno de la levitación diamagnética. En un campo magnético suficientemente fuerte creado por imanes modernos, es posible la levitación no solo de diversos materiales diamagnéticos, sino también de pequeños seres vivos, compuestos principalmente de agua.

Científicos de la Universidad de Nimingen (Países Bajos) lograron suspender una rana en el aire en un campo con una inducción magnética de aproximadamente 16 Tesla, y investigadores del laboratorio de la NASA, utilizando un imán sobre superconductores, levitaron un ratón que, como un objeto biológico, está mucho más cerca de una persona que de una rana. .

Todos los conductores presentan diamagnetismo cuando se exponen a un campo magnético alterno.

La esencia del fenómeno es que, bajo la influencia de un campo magnético alterno, se inducen corrientes parásitas en los conductores (corrientes de Foucault) dirigidas contra la acción del campo magnético externo.

Características del comportamiento del campo magnético en paramagnetos.

La interacción de un campo magnético con paramagnetos es completamente diferente. Dado que los átomos, moléculas o iones paramagnéticos tienen su propio momento magnético, se alinean en la dirección del campo magnético externo. Esto crea un campo magnético resultante que es mayor que el campo original.

Los materiales paramagnéticos incluyen aluminio, platino, metales alcalinos y alcalinotérreos, litio, cesio, sodio, magnesio, tungsteno, así como aleaciones de estos metales. El oxígeno, el óxido nítrico, el óxido de manganeso, el cloruro férrico y muchos otros compuestos químicos también son paramagnéticos.

Las sustancias paramagnéticas son sustancias débilmente magnéticas; su permeabilidad magnética es ligeramente mayor que uno. En un campo magnético no uniforme, los paramagnetos son atraídos hacia una región de un campo más fuerte. En ausencia de un campo magnético, los materiales paramagnéticos no retienen la magnetización, ya que debido al movimiento térmico los momentos magnéticos intrínsecos de sus átomos, moléculas o iones se dirigen al azar.

Características del comportamiento del campo magnético en ferromagnetos.

Debido a su propiedad inherente de magnetizar espontáneamente, los ferroimanes forman imanes naturales, conocidos por la humanidad desde la antigüedad. Se atribuyeron imanes. propiedades mágicas, fueron utilizados en diversos rituales religiosos e incluso en la construcción de edificios. El primer prototipo de brújula, inventado por los chinos en los siglos II y I a.C., fue utilizado por los curiosos antepasados pioneros para construir casas según las reglas del Feng Shui. El uso de la brújula como medio de navegación comenzó ya en el siglo XI para viajar a través de los desiertos a lo largo de la Ruta de la Seda. Posteriormente, el uso de la brújula en los asuntos marítimos jugó un papel importante en el desarrollo de la navegación, el descubrimiento de nuevas tierras y el desarrollo de nuevas rutas comerciales marítimas.

El ferromagnetismo es una manifestación de las propiedades de la mecánica cuántica de los electrones que tienen espín, es decir, propio momento magnético dipolar. En pocas palabras, los electrones se comportan como pequeños imanes. Cada capa de electrones llena de un átomo puede contener solo un número par de electrones con espines opuestos, es decir, el campo magnético de dichos electrones se dirige en direcciones opuestas. Debido a esto, los átomos con un número par de electrones tienen un momento magnético total de cero, por lo que sólo los átomos con una capa exterior vacía y un número desapareado de electrones son ferromagnéticos.

Los materiales ferromagnéticos incluyen metales del grupo de transición (hierro, cobre, níquel) y metales de tierras raras (gadolinio, terbio, disprosio, holmio y erbio), así como aleaciones de estos metales. Las aleaciones de los elementos anteriores con materiales no ferromagnéticos también son ferromagnéticas; aleaciones y compuestos de cromo y manganeso con elementos no ferromagnéticos, así como algunos metales del grupo de los actínidos.

Los ferromagnetos tienen un valor de permeabilidad magnética mucho mayor que uno; la dependencia de su magnetización bajo la influencia de un campo magnético externo no es lineal y se caracterizan por la manifestación de histéresis: si se elimina la acción del campo magnético, los ferromagnetos permanecen magnetizados. Para eliminar esta magnetización residual, se debe aplicar un campo en la dirección opuesta.

Una gráfica de la dependencia de la permeabilidad magnética μ de la intensidad del campo magnético H en un ferroimán, llamada curva de Stoletov, muestra que con una intensidad de campo magnético cero H = 0, la permeabilidad magnética tiene un valor pequeño μ₀; luego, a medida que aumenta la tensión, la permeabilidad magnética aumenta rápidamente hasta un máximo μ max y luego cae lentamente hasta cero.

El pionero de la investigación de las propiedades de los ferromagnetos fue el físico y químico ruso Alexander Stoletov. Hoy en día, la curva de dependencia de la permeabilidad magnética de la intensidad del campo magnético lleva su nombre.

Los materiales ferromagnéticos modernos se utilizan ampliamente en la ciencia y la tecnología: muchas tecnologías y dispositivos se basan en su uso y en el aprovechamiento del fenómeno de la inducción magnética. Por ejemplo, en tecnologia computacional: Las primeras generaciones de computadoras tenían memoria en núcleos de ferrita, la información se almacenaba en cintas magnéticas, disquetes y discos duros. Sin embargo, estos últimos todavía se utilizan en ordenadores y se producen en cientos de millones de unidades al año.

Aplicación de la inducción magnética en ingeniería eléctrica y electrónica.

EN mundo moderno Hay muchos ejemplos del uso de la inducción de campos magnéticos, principalmente en la ingeniería eléctrica: en generadores de electricidad, transformadores de voltaje, en diversos accionamientos electromagnéticos de diversos dispositivos, instrumentos y mecanismos, en tecnología de medición y en ciencia, en diversas instalaciones físicas para conducir. experimentos, así como en equipos de protección eléctrica y parada de emergencia.

Motores eléctricos, generadores y transformadores.

En 1824, el físico y matemático inglés Peter Barlow describió el motor unipolar que inventó y que se convirtió en el prototipo de los motores eléctricos de corriente continua modernos. El invento también es valioso porque se realizó mucho antes del descubrimiento del fenómeno de la inducción electromagnética.

Hoy en día, casi todos los motores eléctricos utilizan la fuerza del amperio, que actúa sobre un circuito que transporta corriente en un campo magnético, provocando que se mueva.

Para demostrar el fenómeno de la inducción magnética, Faraday creó un dispositivo experimental en 1831, una parte importante del cual era un dispositivo ahora conocido como transformador toroidal. El principio de funcionamiento del transformador de Faraday todavía se utiliza en todos los transformadores de tensión y corriente modernos, independientemente de su potencia, diseño y ámbito de aplicación.

Además, Faraday fundamentó científicamente y demostró experimentalmente la posibilidad de convertir el movimiento mecánico en electricidad utilizando el generador unipolar de corriente continua que inventó, que se convirtió en el prototipo de todos los generadores de corriente continua.

El primer generador de corriente alterna fue creado por el inventor francés Hippolyte Pixie en 1832. Posteriormente, por sugerencia de Ampere, se complementó con un dispositivo de conmutación, que permitió obtener una corriente continua pulsante.

Casi todos los generadores de energía eléctrica que utilizan el principio de inducción magnética se basan en la aparición de una fuerza electromotriz en un circuito cerrado, que se encuentra en un campo magnético cambiante. En este caso, en los generadores de corriente alterna, el rotor magnético gira con respecto a las bobinas del estator estacionario, o en los generadores de corriente continua, los devanados del rotor giran con respecto a los imanes del estator estacionario (yugo).

El generador más potente del mundo, construido en 2013 para la central nuclear de Taishan por la empresa china DongFang Electric, puede generar una potencia de 1.750 MW.

Además de generadores y motores eléctricos. tipo tradicional Asociados con la conversión de energía mecánica en energía eléctrica y viceversa, existen los llamados generadores y motores magnetohidrodinámicos que funcionan según un principio diferente.

Relés y electroimanes.

Inventado por el científico estadounidense J. Henry, el electroimán se convirtió en el primer actuador eléctrico y el predecesor del conocido timbre eléctrico. Posteriormente, basándose en él, Henry creó un relé electromagnético, que se convirtió en el primer dispositivo de conmutación automática con estado binario.

Micrófono dinámico Shure utilizado en el sitio web de un estudio de vídeo

Al transmitir una señal telegráfica a largas distancias, se utilizaron relés como amplificadores de CC, conmutando la conexión de baterías externas de estaciones intermedias para una mayor transmisión de la señal.

Altavoces y micrófonos

En la tecnología de audio moderna, se utilizan ampliamente los parlantes electromagnéticos, cuyo sonido aparece debido a la interacción de una bobina móvil unida a un difusor, a través del cual fluye una corriente de audiofrecuencia, con un campo magnético en el espacio de un imán permanente estacionario. Como resultado, la bobina y el difusor se mueven y crean ondas sonoras.

Los micrófonos dinámicos utilizan el mismo diseño que un cabezal dinámico, pero en un micrófono, por el contrario, una bobina móvil con un mini difusor que oscila bajo la influencia de una señal acústica en el espacio de un imán permanente estacionario genera una señal eléctrica de audio. frecuencia.

Instrumentos de medida y sensores.

A pesar de la abundancia de instrumentos de medición digitales modernos, en la tecnología de medición todavía se utilizan dispositivos de tipo magnetoeléctrico, electromagnético, electrodinámico, ferrodinámico y de inducción.

Todos los sistemas de los tipos anteriores utilizan el principio de interacción de los campos magnéticos de un imán permanente con el campo de una bobina portadora de corriente, o de un núcleo ferromagnético con los campos de las bobinas portadoras de corriente, o de los campos magnéticos de una bobina portadora de corriente. bobinas.

Debido a la relativa inercia de tales sistemas de medición, son aplicables para medir valores promedio de cantidades variables.

información general

Sorprendentemente, las ideas de una persona pueden influir en el desarrollo posterior de la sociedad humana en su conjunto. Una persona así era Michael Faraday, que no conocía muy bien las complejidades de las matemáticas contemporáneas, pero que comprendía perfectamente el significado físico de la información conocida en aquella época sobre la naturaleza de la electricidad y el magnetismo gracias al concepto de interacciones de campo que propuso.

La existencia de la sociedad moderna, basada en el uso de la electricidad, el magnetismo y la electrodinámica, la debemos a toda una galaxia de científicos maravillosos. Entre ellos cabe destacar a Ampere, Oersted, Henry, Gauss, Weber, Lorentz y, por supuesto, Maxwell. Al final, reunieron la ciencia de la electricidad y el magnetismo en una sola imagen, que sirvió de base para toda una cohorte de inventores que, con sus creaciones, crearon las condiciones previas para el surgimiento de una sociedad de la información moderna.

Vivimos rodeados de motores y generadores eléctricos: son nuestros primeros ayudantes en la producción, en el transporte y en la vida cotidiana. Cualquier persona que se precie no puede imaginarse la existencia sin un frigorífico, una aspiradora y una lavadora. La prioridad también es un horno microondas, un secador de pelo, un molinillo de café, una batidora, una licuadora y, el sueño supremo, una picadora de carne eléctrica y una máquina para hacer pan. Por supuesto, un aire acondicionado también es algo muy útil, pero si no tienes dinero para comprarlo, un simple ventilador te servirá.

Incluso los exoesqueletos para personas con discapacidad y para el ejército se fabrican con motores eléctricos, por no hablar de todo un ejército de robots industriales y de investigación.

Referencia histórica

Es difícil resistirse a citar la ley descubierta por Ampère en su propia formulación:

Así se descubrieron en la física las fuerzas fundamentales que dependen de la velocidad.

Pero un verdadero avance en la ciencia de la electricidad y el magnetismo fue el descubrimiento de Michael Faraday del fenómeno de la inducción electromagnética: la aparición de una corriente eléctrica en un circuito cerrado cuando cambia el flujo magnético que lo atraviesa. Independientemente de Faraday, el fenómeno de la inducción electromagnética también fue descubierto por Joseph Henry en 1832, quien simultáneamente descubrió el fenómeno de la autoinducción.

A partir de sus experimentos, Faraday dedujo la ley de la fuerza electromotriz, que más tarde recibió su nombre.

Cabe señalar que en tres de las cuatro ecuaciones de Maxwell la inducción magnética aparece en forma de un vector de campo magnético.

Inducción magnética. Definición

La inducción magnética es una cantidad física vectorial, que es una fuerza característica del campo magnético (su acción sobre partículas cargadas) en un punto determinado del espacio. Determina con qué fuerza F El campo magnético actúa sobre la carga. q, moviéndose a velocidad v. Denotado por una letra latina EN(pronunciado vector B) y la fuerza se calcula usando la fórmula:

F = q [v∙B]

Algebraicamente, la expresión se puede escribir como:

F = q∙v∙B∙pecado α

Dónde α - el ángulo entre los vectores de velocidad y de inducción magnética. Dirección vectorial F perpendicular a ambos y dirigida según la regla de la mano izquierda.

La inducción magnética es la principal característica fundamental de un campo magnético, similar al vector de intensidad del campo eléctrico.

En el Sistema Internacional de Unidades SI, la inducción del campo magnético se mide en tesla (T), en el sistema CGS, en gauss (G).

1T = 10⁴G

En el convertidor de unidades físicas se pueden encontrar otras cantidades para medir la inducción magnética utilizadas en diversas aplicaciones y sus conversiones de una cantidad a otra.

Los instrumentos de medida para medir la magnitud de la inducción magnética se denominan teslámetros o gaussímetros.

Inducción de campos magnéticos. Física de los fenómenos.

Dependiendo de la reacción a un campo magnético externo, todas las sustancias se dividen en tres grupos:

Diamagnetos
Paramagnetos
Ferroimanes

La permeabilidad magnética de los superconductores es cero.

La permeabilidad magnética absoluta del aire es aproximadamente igual a la permeabilidad magnética del vacío y en cálculos técnicos se considera igual a 4π 10 ⁻⁷ H/m

Características del comportamiento del campo magnético en diamagnetos.

Todos los conductores presentan diamagnetismo cuando se exponen a un campo magnético alterno.

Características del comportamiento del campo magnético en paramagnetos.

Características del comportamiento del campo magnético en ferromagnetos.

Debido a su propiedad inherente de magnetizar espontáneamente, los ferroimanes forman imanes naturales, conocidos por la humanidad desde la antigüedad. A los imanes se les atribuían propiedades mágicas, se utilizaban en diversos rituales religiosos e incluso en la construcción de edificios. El primer prototipo de brújula, inventado por los chinos en los siglos II y I a.C., fue utilizado por los curiosos antepasados pioneros para construir casas según las reglas del Feng Shui. El uso de la brújula como medio de navegación comenzó ya en el siglo XI para viajar a través de los desiertos a lo largo de la Ruta de la Seda. Posteriormente, el uso de la brújula en los asuntos marítimos jugó un papel importante en el desarrollo de la navegación, el descubrimiento de nuevas tierras y el desarrollo de nuevas rutas comerciales marítimas.

Los materiales ferromagnéticos modernos se utilizan ampliamente en la ciencia y la tecnología: muchas tecnologías y dispositivos se basan en su uso y en el aprovechamiento del fenómeno de la inducción magnética. Por ejemplo, en tecnología informática: las primeras generaciones de computadoras tenían memoria en núcleos de ferrita, la información se almacenaba en cintas magnéticas, disquetes y discos duros. Sin embargo, estos últimos todavía se utilizan en ordenadores y se producen en cientos de millones de unidades al año.

Aplicación de la inducción magnética en ingeniería eléctrica y electrónica.

En el mundo moderno, hay muchos ejemplos del uso de la inducción de campos magnéticos, principalmente en la ingeniería eléctrica: en generadores de electricidad, transformadores de voltaje, en diversos accionamientos electromagnéticos de diversos dispositivos, instrumentos y mecanismos, en tecnología de medición y en ciencia, en diversas instalaciones físicas para la realización de experimentos, así como en medios de protección eléctrica y parada de emergencia.

Motores eléctricos, generadores y transformadores.

Hoy en día, casi todos los motores eléctricos utilizan la fuerza del amperio, que actúa sobre un circuito que transporta corriente en un campo magnético, provocando que se mueva.

El generador más potente del mundo, construido en 2013 para la central nuclear de Taishan por la empresa china DongFang Electric, puede generar una potencia de 1.750 MW.

Además de los generadores y motores eléctricos de tipo tradicional, asociados a la conversión de energía mecánica en energía eléctrica y viceversa, existen los llamados generadores y motores magnetohidrodinámicos que funcionan según un principio diferente.

Relés y electroimanes.

Micrófono dinámico Shure utilizado en el sitio web de un estudio de vídeo

Altavoces y micrófonos

Instrumentos de medida y sensores.

Debido a la relativa inercia de tales sistemas de medición, son aplicables para medir valores promedio de cantidades variables.