Dĺžka a vzdialenosť Hmotnosť Miery objemu sypkých látok a potravín Plocha Objem a jednotky merania v kulinárskych receptúrach Teplota Tlak, mechanické namáhanie, Youngov modul Energia a práca Výkon Sila Čas Lineárna rýchlosť Rovinný uhol Tepelná účinnosť a palivová účinnosť Čísla Jednotky na meranie množstva informácií Výmenné kurzy Rozmery dámskeho oblečenia a obuvi Veľkosti pánskeho oblečenia a obuvi Uhlová rýchlosť a frekvencia otáčania Zrýchlenie Uhlové zrýchlenie Hustota Špecifický objem Moment zotrvačnosti Moment sily Krútiaci moment Špecifické teplo spaľovania (hmotnostné) Hustota energie a špecifické teplo spaľovania paliva (objemovo) Teplotný rozdiel Koeficient tepelnej rozťažnosti Tepelný odpor Špecifická tepelná vodivosť Špecifická tepelná kapacita Energetická záťaž, výkon tepelného žiarenia Hustota tepelného toku Koeficient prestupu tepla Objemový prietok Hmotnostný prietok Molárny prietok Hustota hmotnostného prietoku Molárna koncentrácia Hmotnostná koncentrácia v roztoku Dynamická (absolútna) viskozita Kinematická viskozita Povrchové napätie Paropriepustnosť Paropriepustnosť, rýchlosť prenosu pár Hladina zvuku Citlivosť mikrofónu Hladina akustického tlaku (SPL) Jas Intenzita osvetlenia Osvetlenie Počítačová grafika Rozlíšenie Frekvencia a vlnová dĺžka Výkon dioptrií a ohnisková vzdialenosť Výkon dioptrií a zväčšenie šošovky (×) Elektrický náboj Hustota lineárneho náboja Hustota povrchového náboja Objemová hustota náboja Elektrický prúd Lineárny hustotný prúd Hustota povrchového prúdu Napätie elektrické pole Elektrostatický potenciál a napätie Elektrický odpor Elektrický odpor Elektrická vodivosť Elektrická vodivosť Elektrická kapacita Indukčnosť Americký drôtový meradlo Úrovne v dBm (dBm alebo dBmW), dBV (dBV), wattoch a iných jednotkách Magnetomotorická sila Napätie magnetické pole Magnetický tok Magnetická indukcia Absorbovaný dávkový príkon ionizujúceho žiarenia Rádioaktivita. Rádioaktívny rozpad Žiarenie. Expozičná dávka Žiarenie. Absorbovaná dávka Desatinné predpony Prenos dát Typografia a spracovanie obrazu Jednotky objemu dreva Výpočet molárnej hmotnosti Periodická tabuľka chemických prvkov D. I. Mendelejev

1 ampér na meter [A/m] = 0,01 ampéra na centimeter [A/cm]

Pôvodná hodnota

Prevedená hodnota

ampér na meter ampér na centimeter ampér na palec ampér na meter abamper na centimeter abamper na palec oersted Gilbert/centimeter ampér na miliampér miliampér na meter miliampér na decimeter miliampér na centimeter miliampér na milimeter mikroampér na meter mikroampér na decimeter mikroampér na miliampér na miliampér

Lineárna, povrchová a objemová prúdová hustota

Úvod

Náboje umiestnené v elektrostatickom poli s rozdielom potenciálov sa začnú pohybovať. Tento pohyb sa nazýva elektrický prúd, ktorý je definovaný ako riadený (usporiadaný) pohyb nabitých častíc cez akýkoľvek prierez vodivého média. Veľkosť tohto prúdu závisí od odporu vodivého prostredia voči tomuto pohybu nábojov, ktorý zasa závisí od prierezu vodiča.

Je potrebné poznamenať, že v elektrotechnike sa základné fyzikálne veličiny, teda jednotka merania elektrického prúdu ampér a jednotka merania elektrického náboja coulomb, často navzájom spájajú pomocou jednotky dĺžky - meter. A nie je to bezdôvodne. Náboj, ktorý preteká prierezom vodivého média, je často nerovnomerne rozložený. Preto by bolo celkom prirodzené určiť tok nabitých častíc cez jednotkový prierez alebo jednotku dĺžky, inými slovami, určiť prúdovú hustotu. V tomto článku budeme porovnávať elektriny a prúdovej hustoty a zvážiť dôležitosť dosiahnutia, udržania a merania požadovanej prúdovej hustoty v rôznych oblastiach elektrotechniky a elektroniky.

Definície

Elektrina

Elektrický prúd I definovaný ako riadený pohyb elektrické náboje pozdĺž čiary (napríklad tenkého drôtu), pozdĺž povrchu (napríklad pozdĺž listu vodivého materiálu) alebo v objeme (napríklad v elektronickej alebo plynovej výbojke). Jednotkou SI elektrického prúdu je ampér, definovaný ako tok elektrických nábojov cez prierez vodiča rýchlosťou jeden coulomb za sekundu.

Objemová prúdová hustota

Súčasná hustota(nazývaná aj objemová prúdová hustota) je vektorové pole v trojrozmernom vodivom priestore. V každom bode v takomto priestore hustota prúdu predstavuje celkový tok elektrických nábojov za jednotku času, ktorý prejde jednotkovým prierezom. Označuje sa objemovou hmotnosťou s vektorovým symbolom J. Ak vezmeme do úvahy bežný prípad vodiča s prúdom, prúd v ampéroch sa vydelí prierezom vodiča. V SI sa objemová prúdová hustota meria v ampéroch na meter štvorcový (A/m²).

Napríklad, ak prúd 50 ampérov tečie pozdĺž výkonnej prípojnice elektrickej rozvodne s prierezom 3 x 33,3 mm = 100 mm² = 0,0001 m², potom hustota prúdu v takomto vodiči bude 500 000 A/m².

Lineárna prúdová hustota

Niekedy v elektronických zariadeniach prúd preteká veľmi tenkým filmom kovu alebo tenkou vrstvou kovu, ktorá má premenlivú hrúbku. V takýchto prípadoch výskumníkov a dizajnérov zaujíma len šírka a nie celkový prierez takýchto veľmi tenkých vodičov. V tomto prípade merajú lineárna prúdová hustota- vektorová veličina rovnajúca sa hranici súčinu hustoty vodivého prúdu tečúceho v tenkej vrstve blízko povrchu tela a hrúbke tejto vrstvy, keď táto má tendenciu k nule (toto je definícia podľa GOST 19880 -74). V medzinárodnom systéme jednotiek (SI) sa hustota lineárneho prúdu meria v ampéroch na meter a v systéme CGS v oerstedoch. 1 oersted sa rovná sile magnetického poľa vo vákuu s indukciou 1 gauss. V opačnom prípade je hustota lineárneho prúdu definovaná ako prúd na jednotku dĺžky v smere kolmom na prúd.

Napríklad, ak prúd 100 mA preteká tenkým vodičom širokým 1 mm, potom je lineárna hustota prúdu 0,0001 A: 0,001 m = 10 ampérov na meter (A/m). Lineárna prúdová hustota je označená vektorovým symbolom A.

Hustota povrchového prúdu

Lineárna prúdová hustota úzko súvisí s konceptom hustota povrchového prúdu, ktorá je definovaná ako sila elektrického prúdu pretekajúceho prierezom vodivého média o jednotkovej ploche a označuje sa symbolom vektora K. Rovnako ako hustota lineárneho prúdu, hustota povrchového prúdu je tiež vektorová veličina, ktorej veľkosť predstavuje elektrický prúd cez prierez vodivého média v danom mieste a smer je kolmý na plochu prierezu dirigent. Takýmto vodivým médiom môže byť napríklad vodič s prúdom, elektrolyt alebo ionizovaný plyn. V systéme SI sa hustota prúdu meria v ampéroch na meter štvorcový.

Vektorový alebo skalárny?

Všimnite si, že na rozdiel od vektorovej prúdovej hustoty je samotný prúd skalárnou veličinou. Dá sa to vysvetliť tým, že prúd je definovaný ako počet nábojov pohybujúcich sa za jednotku času; preto by bolo nevhodné pridávať smer k množstvu predstavujúcemu množstvo za jednotku času. Súčasne sa prúdová hustota uvažuje v objeme s mnohými prierezmi, ktorými prúd prechádza, preto má zmysel definovať prúdovú hustotu ako vektor alebo ako vektorový priestor. Možno tiež poznamenať, že hustota prúdu je vektorová, pretože je výsledkom hustoty náboja a rýchlosti jeho pohybu kdekoľvek v priestore.

Prúdová hustota v elektrotechnike a elektronike

Vysoká hustota lineárneho prúdu v drôtoch vedie k nepríjemným následkom. Všetky vodiče elektrického prúdu majú konečný odpor, vďaka ktorému sa pri pretekaní prúdu zahrievajú a odvádzajú energiu vo forme tepla. V tomto ohľade musí byť hustota prúdu udržiavaná na nízkej úrovni, aby sa vodič počas prevádzky nezohrieval nad prípustnú teplotu a navyše sa neroztavil. Prehriatie môže spôsobiť poškodenie alebo zmenu izolácie elektrické vlastnosti napríklad v dôsledku tvorby oxidovej vrstvy. Táto oxidová vrstva znižuje plochu prierezu vodiča, čo následne vedie k ešte väčšiemu zvýšeniu hustoty prúdu cez vodič.

Lineárna prúdová hustota sa široko používa pri výpočte a návrhu elektronických a elektrických systémov. Dôležité je to napríklad pri výpočte integrovaných obvodov, ktorých hustota prvkov (počet prvkov na jednotku objemu) neustále narastá. Hoci každý prvok odoberá veľmi malé prúdy, prúdové hustoty v čipe môžu byť veľmi vysoké, aby sa dosiahol maximálny možný počet prvkov v jednom čipe. Na úsvite rozvoja mikroelektroniky sa počet prvkov v integrovaných obvodoch každoročne zdvojnásobil. Teraz (v roku 2016) sa približne každé dva roky zdvojnásobuje. Tento vzorec sa nazýva Mooreov zákon, pomenovaný po jednom zo zakladateľov Intelu, ktorý v roku 1965 dospel k záveru o exponenciálnom raste výkonu výpočtových zariadení a urobil zodpovedajúcu predpoveď na nasledujúcich desať rokov. Neskôr, v roku 1975, Moore revidoval svoju predpoveď a predpovedal, že výkon mikroprocesora sa zdvojnásobí každé dva roky.

Napríklad štvorbitový mikroprocesor Intel 4004 uvedený na trh v roku 1971 mal iba 2 300 tranzistorov na čipe s plochou 3 x 4 mm alebo 12 metrov štvorcových. mm, čo bolo len asi 200 tranzistorov na štvorcový milimeter. Pre porovnanie, 12-jadrový mikroprocesor Power8 uvedený na trh v roku 2013 obsahuje 4,2 miliardy tranzistorov na matrici s rozlohou 650 metrov štvorcových. mm. Teda na každom námestí. Na jeden milimeter sa nachádza asi 6,5 milióna tranzistorov. V tomto prípade každý tranzistor spotrebuje určitý, aj keď veľmi malý prúd. Pretože všetky sú umiestnené vo veľmi malom objeme, vzniká problém chladenia takýchto mikroobvodov.

Pri striedavom prúde, najmä pri vysokých frekvenciách, sa vodivá zóna drôtov nachádza iba v ich povrchovej vrstve, v dôsledku čoho sa zvyšuje prúdová hustota v drôtoch, čo vedie k energetickým stratám v dôsledku zahrievania alebo dokonca roztavenia drôtu. . Tento jav znižovania amplitúdy elektromagnetických vĺn pri ich prenikaní hlboko do vodiča sa nazýva kožný efekt alebo povrchový efekt. Na zníženie strát pri vysokých frekvenciách sú vodiče potiahnuté striebrom alebo zlatom - materiály s nízkym odporom. Často sa tiež namiesto jedného hrubého drôtu používa niekoľko (od troch do tisíc alebo viac) izolovaných tenkých drôtov (Litz drôt). Najmä Litz drôt sa používa na navíjanie induktorov v indukčných peciach.

Pri vysokých prúdových hustotách dochádza k skutočnému pohybu materiálov v spojoch, tzv elektromigrácia. Tento pohyb je spôsobený driftom materiálových iónov, ktorý je výsledkom výmeny hybnosti pri zrážkach medzi nosičmi vodivosti a atómovou mriežkou vodiča. Elektromigračný efekt zohráva významnú úlohu v prípadoch, keď majú prúdy vysokú hustotu, napríklad v tej istej mikroelektronike, ako je uvedené vyššie. Čím vyššia je hustota veľkých integrovaných obvodov, tým je tento efekt výraznejší. V dôsledku elektromigrácie môže dôjsť buď k úplnému zničeniu vodiča, alebo sa môže objaviť nový vodič tam, kde by nemal existovať, to znamená, že dôjde ku skratu. Zvýšená prúdová hustota teda vedie k zníženiu spoľahlivosti integrovaných obvodov. Pri navrhovaní mikroobvodov sa zvyčajne berie do úvahy vplyv elektromigrácie, takže moderné vysoko integrované mikroobvody z tohto dôvodu zriedka zlyhajú.

Pojem prúdová hustota, alebo presnejšie povrchová prúdová hustota v mA/cm² produkovaná jednotkou plochy solárneho článku, sa často používa pri opise charakteristík solárnych článkov. Hustota skratového prúdu fotočlánku je dôležitou charakteristikou účinnosti premeny slnečnej energie na elektrickú energiu. Tento prístup je užitočný pri porovnávaní solárnych článkov od rôznych výrobcov. Zatiaľ čo napätie solárneho článku je určené počtom jednotlivých solárnych článkov, prúd dodávaný batériou závisí predovšetkým od plochy povrchu batérie osvetlenej slnečným žiarením a účinnosti solárnych článkov. Fotobunky sa často vyrábajú vo veľkostiach 100x100 mm = 100 cm² a umožňujú prúd 3,5 A alebo prúdovú hustotu 3,5: 100 = 35 mA/cm² z každej fotobunky. Všimnite si, že definícia hustoty povrchového prúdu vo fotobunkách sa líši od vyššie uvedenej definície hustoty povrchového prúdu.

Prúdová hustota je jednou z hlavných charakteristík, ktoré určujú kvalitu výrobkov pokovovaných chrómom a inými kovmi. Pri chrómovaní sa na kovový alebo plastový výrobok nanáša tenká vrstva chrómu, ktorá má dekoratívne vlastnosti a vysoká odolnosť proti korózii. Chrómovanie sa tiež používa na zvýšenie tvrdosti a odolnosti povrchov proti opotrebeniu a na zníženie trenia a zvýšenie odolnosti proti korózii v trecích pároch pracujúcich v náročných podmienkach. Chrómovanie sa používa aj na vytváranie opotrebovaných povrchov dielov s cieľom obnoviť ich pôvodné rozmery.

Pre použitie v automobilovom priemysle sú oceľové výrobky potiahnuté niekoľkými galvanickými povlakmi, aby sa zabezpečila odolnosť dielov voči zmenám teploty a vlhkosti pri použití vonku. Zvyčajne sa používa trojité pokovovanie: prvá vrstva medi, potom niklu a nakoniec chrómu. Teplota a prúdová hustota v kúpeli ovplyvňuje rovnomernosť chrómového povlaku, čo zabezpečuje jeho čistotu, a teda aj odrazivosť.

Meranie prúdovej hustoty

Pokovovací kúpeľ, v ktorom sa nanášajú kovové povlaky, je presne tým miestom, kde je potrebné merať prúdovú hustotu v kvapalnom vodivom médiu - elektrolyte v pokovovacom kúpeli. V tomto prípade je potrebné vypočítať alebo zmerať povrch časti, ktorá je potiahnutá kovom, ako aj zmerať prúd tečúci v kúpeli z anódy do časti. Vyrábajú sa prístroje, ktoré umožňujú priame meranie prúdovej hustoty v ktoromkoľvek bode kúpeľa. Umožňujú pracovníkom galvanická dielňa presne zmerajte, ako postupuje proces pokovovania v každom bode produktu. Merač hustoty prúdu elektrolytu sa najčastejšie skladá zo snímača s malou toroidnou cievkou a meracej jednotky s displejom, ktorý meria prúd indukovaný v cievke prúdom v elektrolyte v nej. Procesor takýchto zariadení určí hodnotu prúdovej hustoty v bode merania na základe nameraného prúdu a plochy cievky a zobrazí ju priamo v A/ft² alebo A/dm².

Ďalším príkladom merania hustoty prúdu sú solárne panely. Typicky sú hustoty skratového prúdu rozložené nerovnomerne po povrchu fotobuniek. Rozdiely v prúdových hustotách môžu byť spôsobené rôznou životnosťou nosičov vo fotobunke, rôznymi vzdialenosťami od koncoviek a inými faktormi. Výskumníci majú záujem získať mapu rozloženia prúdových hustôt po celej ploche fotobunky. Na meranie prúdovej hustoty je fotobunka osvetlená veľmi úzkym lúčom elektrónov alebo lúčom svetla, ktorý skenuje povrch fotobunky. V tomto prípade sa zaznamená výsledný fotoprúd. Vznikne tak mapa prúdových hustôt, ktorú možno neskôr použiť na optimalizáciu zariadenia.

Zdá sa vám ťažké preložiť merné jednotky z jedného jazyka do druhého? Kolegovia sú pripravení vám pomôcť. Uverejnite otázku v TCTerms a do niekoľkých minút dostanete odpoveď.

Všeobecné informácie

Nápady jedného človeka dokážu úžasným spôsobom ovplyvniť následný vývoj celej ľudskej spoločnosti. Takýmto človekom bol Michael Faraday, nie veľmi zbehlý v spletitostiach súčasnej matematiky, ale dokonale chápavý fyzický význam informácie známe v tom čase o povahe elektriny a magnetizmu vďaka konceptu interakcií poľa, ktorý predložil.

existencie moderná spoločnosť, založený na využití elektriny, magnetizmu a elektrodynamiky, vďačíme celej galaxii úžasných vedcov. Spomedzi nich treba spomenúť Amperea, Oersteda, Henryho, Gaussa, Webera, Lorentza a samozrejme Maxwella. V konečnom dôsledku spojili vedu o elektrine a magnetizme do jedného obrazu, ktorý slúžil ako základ pre celú kohortu vynálezcov, ktorí svojimi výtvormi vytvorili predpoklady pre vznik modernej informačnej spoločnosti.

Žijeme obklopení elektromotormi a generátormi: sú našimi prvými pomocníkmi vo výrobe, v doprave a v každodennom živote. Každý, kto si váži seba, si nevie predstaviť existenciu bez chladničky, vysávača a práčka. Prioritou je aj mikrovlnná rúra, fén, mlynček na kávu, mixér, mixér a - konečný sen - elektrický mlynček na mäso a pekáreň chleba. Klimatizácia je samozrejme tiež veľmi užitočná vec, ale ak nemáte peniaze na jej kúpu, postačí obyčajný ventilátor.

Niektorí muži majú o niečo skromnejšie potreby: konečným snom toho najnešikovnejšieho muža je elektrická vŕtačka. Niektorí z nás, ktorí sa neúspešne pokúšajú naštartovať auto v štyridsaťstupňových mrazoch a beznádejne trápia štartér (aj elektromotor), tajne snívajú o kúpe auta z produkcie Tesla Motors s elektromotormi a batériami, aby navždy zabudli na problémy. benzínových a naftových motorov.

Elektromotory sú všade: zdvíhajú nás vo výťahoch, prepravujú nás v metre, električkách, električkách, trolejbusoch a rýchlovlakoch. Vodu nám dodávajú na poschodia mrakodrapov, obsluhujú fontány, čerpajú vodu z baní a studní, valcujú oceľ, zdvíhajú závažia, pracujú v rôznych žeriavoch. A robia veľa ďalších užitočných vecí, uvádzajú do pohybu stroje, nástroje a mechanizmy.

Dokonca aj exoskelety pre ľudí so zdravotným postihnutím a pre armádu sa vyrábajú pomocou elektromotorov, nehovoriac o celej armáde priemyselných a výskumných robotov.

Dnes vo vesmíre fungujú elektromotory – stačí si spomenúť na rover Curiosity. Fungujú na zemi, v podzemí, na vode, pod vodou a dokonca aj vo vzduchu - nie dnes, ale zajtra (článok bol napísaný v novembri 2015) konečne dokončí svoju cestu okolo sveta lietadlo Solar Impulse 2 a bezpilotné lietadlá na elektromotoroch jednoducho nie sú čísla. Niet divu, že pomerne vážne korporácie teraz pracujú na poštových doručovacích službách pomocou bezpilotných lietadiel.

Historický odkaz

Chemická batéria, ktorú v roku 1800 postavil taliansky fyzik Alessandro Volta, neskôr po svojom vynálezcovi nazvaná „Voltaický stĺp“, sa pre vedcov skutočne ukázala ako „roh hojnosti“. Umožnil uviesť do pohybu elektrické náboje vo vodičoch, teda vytvoriť elektrický prúd. Nové objavy využívajúce voltaický stĺp kontinuálne nasledovali jeden za druhým v rôznych oblastiach fyziky a chémie.

Napríklad anglický vedec Sir Humphry Davy v roku 1807 pri štúdiu elektrolýzy roztaveného hydroxidu sodného a draslíka získal kovový sodík a draslík. Už skôr, v roku 1801, objavil elektrický oblúk, hoci Rusi za jeho objaviteľa považujú Vasilija Vladimiroviča Petrova. Petrov v roku 1802 opísal nielen samotný oblúk, ale aj možnosti jeho praktického využitia na účely tavenia, zvárania kovov a ich získavania z rúd, ako aj osvetlenia.

Najdôležitejší objav však urobil dánsky fyzik Hans Christian Oersted: 21. apríla 1820 počas demonštrácie pokusov na prednáške si všimol vychýlenie strelky magnetického kompasu pri zapínaní a vypínaní tečúceho elektrického prúdu. cez vodič vo forme drôtu. Bolo to prvýkrát, čo sa potvrdil vzťah medzi elektrinou a magnetizmom.

Ďalší krok urobil francúzsky fyzik Andre Marie Ampere o niekoľko mesiacov neskôr po oboznámení sa s Oerstedovým experimentom. Kuriózny je priebeh uvažovania tohto vedca, uvedený v správach, ktoré jeden po druhom posielal Francúzskej akadémii vied. Ampere najprv, keď pozoroval rotáciu strelky kompasu na vodiči s prúdom, navrhol, že magnetizmus Zeme bol spôsobený aj prúdmi obtekajúcimi Zem v smere zo západu na východ. Z toho dospel k záveru, že magnetické vlastnosti telesa možno vysvetliť cirkuláciou prúdu v tele. Ďalej Ampere celkom odvážne dospel k záveru, že magnetické vlastnosti akéhokoľvek telesa sú určené uzavretými elektrickými prúdmi v ňom a magnetická interakcia nie je spôsobená špeciálnymi magnetickými nábojmi, ale jednoducho pohybom elektrických nábojov, t.j. prúdom.

Ampere okamžite začal experimentálne študovať túto interakciu a zistil, že vodiče s prúdom tečúcim v jednom smere sa priťahujú a v opačnom smere sa odpudzujú. Vzájomne kolmé vodiče spolu neinteragujú.

Je ťažké odolať citovaniu zákona, ktorý objavil Ampère vo svojej vlastnej formulácii:

„Sila interakcie medzi pohybujúcimi sa nábojmi je úmerná súčinu týchto nábojov, nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi, ako v Coulombovom zákone, ale okrem toho závisí aj od rýchlosti týchto nábojov a od smeru ich pohyb“.

Takto boli vo fyzike objavené základné sily, ktoré závisia od rýchlosti.

Ale skutočným prielomom vo vede o elektrine a magnetizme bol objav tohto javu Michaelom Faradayom elektromagnetická indukcia- výskyt elektrického prúdu v uzavretom okruhu pri zmene magnetický tok, prechádzajúci cez ňu. Nezávisle od Faradaya objavil fenomén elektromagnetickej indukcie aj Joseph Henry v roku 1832, ktorý súčasne objavil fenomén samoindukcie.

Faradayova verejná demonštrácia 29. augusta 1831 bola vykonaná na ním vynájdenej inštalácii, ktorá pozostávala z voltaického stĺpa, spínača, železného krúžku, na ktorom boli na protiľahlých stranách navinuté dve rovnaké cievky medeného drôtu. Jedna z cievok bola pripojená k batérii cez spínač a galvanometer bol pripojený na konce druhej. Keď bol prúd zapnutý a vypnutý, galvanometer zistil výskyt prúdu rôznych smerov v druhej cievke.

Vo Faradayových experimentoch sa elektrický prúd, nazývaný indukovaný prúd, objavil aj vtedy, keď bol magnet vložený do cievky alebo bol vybratý z cievky vloženej do meracieho obvodu. Podobne sa objavil prúd, keď bola menšia cievka s prúdom privedená/vytiahnutá z väčšej cievky z predchádzajúceho experimentu. Smer indukčného prúdu sa navyše zmenil na opačný pri zavedení/predĺžení magnetu alebo malej cievky s prúdom v súlade s pravidlom formulovaným ruským vedcom Emilom Christianovičom Lenzom. v roku 1833.

Faraday na základe svojich experimentov odvodil zákon pre elektromotorickú silu, ktorý bol neskôr pomenovaný po ňom.

Myšlienky a výsledky Faradayových experimentov reinterpretoval a zovšeobecnil ďalší veľký krajan – geniálny anglický fyzik a matematik James Clerk Maxwell – vo svojich štyroch diferenciálnych rovniciach elektrodynamiky, neskôr nazývaných Maxwellove rovnice.

Treba poznamenať, že v troch zo štyroch Maxwellových rovníc sa magnetická indukcia objavuje vo forme vektora magnetického poľa.

Magnetická indukcia. Definícia

Magnetická indukcia je vektorová fyzikálne množstvo, čo je silová charakteristika magnetického poľa (jeho pôsobenie na nabité častice) v danom bode priestoru. Určuje, akou silou F magnetické pole pôsobí na náboj q, pohybujúce sa rýchlosťou v. Označuje sa latinským písmenom IN(vyslovuje sa vektor B) a sila sa vypočíta podľa vzorca:

F = q [v∙B]

Kde F-Lorentzova sila pôsobiaca z magnetického poľa na náboj q; v- rýchlosť pohybu náboja; B- indukcia magnetického poľa; [ v × B] - vektorový súčin vektorov v A B.

Algebraicky možno výraz zapísať takto:

F = q∙v∙B∙sinα

Kde α - uhol medzi vektormi rýchlosti a magnetickej indukcie. Vektorový smer F kolmo na obe a smerované podľa pravidla ľavej ruky.

Magnetická indukcia je hlavnou základnou charakteristikou magnetického poľa, podobne ako vektor intenzity elektrického poľa.

V medzinárodnom systéme jednotiek SI sa indukcia magnetického poľa meria v tesle (T), v systéme CGS - v gaussoch (G)

1 T = 104 G

Ďalšie veličiny na meranie magnetickej indukcie používané v rôznych aplikáciách a ich prevody z jednej veličiny na druhú nájdete v prevodníku fyzikálnych jednotiek.

Meracie prístroje na meranie veľkosti magnetickej indukcie sa nazývajú teslametre alebo gaussmetre.

Indukcia magnetického poľa. Fyzika javov

V závislosti od reakcie na vonkajšie magnetické pole sú všetky látky rozdelené do troch skupín:

Diamagnety
Paramagnety
Feromagnety

Pojmy diamagnetizmus a paramagnetizmus zaviedol Faraday v roku 1845. Na kvantifikáciu týchto reakcií bol zavedený koncept magnetickej permeability. Zavedené v sústave SI absolútne magnetická permeabilita, meraná v Gn/m, a príbuzný bezrozmerná magnetická permeabilita, rovná pomeru permeability daného prostredia k permeabilite vákua. Pre diamagnetické materiály je relatívna magnetická permeabilita o niečo menšia ako jednota a pre paramagnetické materiály je o niečo väčšia ako jednota. Vo feromagnetikách je magnetická permeabilita výrazne väčšia ako jednota a je nelineárna.

Fenomén diamagnetizmus spočíva v schopnosti látky pôsobiť proti účinkom vonkajšieho magnetického poľa v dôsledku magnetizácie proti jeho smeru. To znamená, že diamagnetické materiály sú odpudzované magnetickým poľom. V tomto prípade atómy, molekuly alebo ióny diamagnetického materiálu získavajú magnetický moment nasmerovaný proti vonkajšiemu poľu.

Fenomén paramagnetizmus spočíva v schopnosti látky zmagnetizovať sa pri pôsobení vonkajšieho magnetického poľa. Na rozdiel od diamagnetických materiálov sú paramagnetické materiály priťahované magnetickým poľom. V tomto prípade atómy, molekuly alebo ióny paramagnetika získavajú magnetický moment v smere, ktorý sa zhoduje so smerom vonkajšieho magnetického poľa. Keď je pole odstránené, paramagnetické materiály si nezachovajú magnetizáciu.

Fenomén feromagnetizmus spočíva v schopnosti látky spontánne magnetizovať v neprítomnosti vonkajšieho magnetického poľa alebo byť zmagnetizovaná pod vplyvom vonkajšieho magnetického poľa a zachovať si magnetizáciu, keď je pole odstránené. Navyše väčšina magnetických momentov atómov, molekúl alebo iónov je navzájom paralelných. Toto poradie sa udržiava až do teploty pod určitým kritickým bodom, ktorý sa nazýva Curieho bod. Pri teplotách nad Curieovým bodom pre danú látku sa feromagnety menia na paramagnety.

Magnetická permeabilita supravodičov je nulová.

Absolútna magnetická permeabilita vzduchu sa približne rovná magnetickej permeabilite vákua a v technických výpočtoch sa berie ako rovná 4π 10 ⁻⁷ H/m

Vlastnosti správania sa magnetického poľa v diamagnetoch

Ako je uvedené vyššie, diamagnetické materiály vytvárajú indukované magnetické pole namierené proti vonkajšiemu magnetickému poľu. Diamagnetizmus je kvantový mechanický efekt vlastný všetkým látkam. V paramagnetoch a feromagnetoch dochádza k jeho vyrovnaniu vplyvom iných, silnejších účinkov.

Diamagnety zahŕňajú napríklad látky, ako sú inertné plyny, dusík, vodík, kremík, fosfor a pyrolytický uhlík; niektoré kovy - bizmut, zinok, meď, zlato, striebro. Mnohé ďalšie anorganické a organické zlúčeniny sú tiež diamagnetické, vrátane vody.

V nerovnomernom magnetickom poli sú diamagnetické materiály posunuté do oblasti so slabším poľom. Magnetické siločiary sú akoby vytláčané z tela diamagnetickými materiálmi. Na tejto vlastnosti je založený fenomén diamagnetickej levitácie. V dostatočne silnom magnetickom poli vytvorenom modernými magnetmi je možná levitácia nielen rôznych diamagnetických materiálov, ale aj malých živých tvorov, pozostávajúcich najmä z vody.

Vedcom z univerzity v holandskom Nimingene sa podarilo suspendovať žabu vo vzduchu v poli s magnetickou indukciou asi 16 Tesla a výskumníci z laboratória NASA pomocou magnetu na supravodičoch levitovali myš, ktorá ako biologický objekt, je človeku oveľa bližší ako žaba.

Všetky vodiče vykazujú diamagnetizmus, keď sú vystavené striedavému magnetickému poľu.

Podstatou javu je, že vplyvom striedavého magnetického poľa sa vo vodičoch indukujú vírivé prúdy - Foucaultove prúdy - smerujúce proti pôsobeniu vonkajšieho magnetického poľa.

Vlastnosti správania sa magnetického poľa v paramagnetoch

Interakcia magnetického poľa s paramagnetmi je úplne odlišná. Keďže paramagnetické atómy, molekuly alebo ióny majú svoj vlastný magnetický moment, vyrovnávajú sa v smere vonkajšieho magnetického poľa. To vytvára výsledné magnetické pole, ktoré je väčšie ako pôvodné pole.

Paramagnetické materiály zahŕňajú hliník, platinu, alkalické kovy a kovy alkalických zemín, lítium, cézium, sodík, horčík, volfrám, ako aj zliatiny týchto kovov. Kyslík, oxid dusnatý, oxid mangánu, chlorid železitý a mnohé ďalšie chemické zlúčeniny sú tiež paramagnetické.

Paramagnetické látky sú slabo magnetické látky, ich magnetická permeabilita je o niečo väčšia ako jedna. V nerovnomernom magnetickom poli sú paramagnety vťahované do oblasti silnejšieho poľa. V neprítomnosti magnetického poľa si paramagnetické materiály nezachovávajú magnetizáciu, pretože v dôsledku tepelného pohybu sú vlastné magnetické momenty ich atómov, molekúl alebo iónov nasmerované náhodne.

Vlastnosti správania sa magnetického poľa vo feromagnetikách

Feromagnety vďaka svojej prirodzenej vlastnosti spontánnej magnetizácie tvoria prirodzené magnety, ktoré sú ľudstvu známe už od staroveku. Pripisovali sa magnety magické vlastnosti, používali sa pri rôznych náboženských rituáloch a dokonca aj pri stavbe budov. Prvý prototyp kompasu, ktorý vynašli Číňania v druhom a prvom storočí pred naším letopočtom, používali zvedaví predkovia pionierov na stavbu domov podľa pravidiel Feng Shui. Použitie kompasu ako navigačného prostriedku sa začalo už v 11. storočí na cestovanie púšťami pozdĺž Hodvábnej cesty. Neskôr hralo používanie kompasu v námorných záležitostiach významnú úlohu pri rozvoji navigácie, objavovaní nových krajín a rozvoji nových námorných obchodných ciest.

Feromagnetizmus je prejavom kvantovomechanických vlastností elektrónov majúcich spin, t.j. vlastný dipólový magnetický moment. Jednoducho povedané, elektróny sa správajú ako malé magnety. Každý naplnený elektrónový obal atómu môže obsahovať len párový počet elektrónov s opačnými spinmi, t.j. magnetické pole takýchto elektrónov smeruje v opačných smeroch. Z tohto dôvodu majú atómy s párovým počtom elektrónov celkový magnetický moment nula, takže feromagnetické sú iba atómy s nenaplneným vonkajším obalom a nespárovaným počtom elektrónov.

Feromagnetické materiály zahŕňajú kovy prechodnej skupiny (železo, meď, nikel) a kovy vzácnych zemín (gadolínium, terbium, dysprózium, holmium a erbium), ako aj zliatiny týchto kovov. Zliatiny vyššie uvedených prvkov s neferomagnetickými materiálmi sú tiež feromagnetické; zliatiny a zlúčeniny chrómu a mangánu s neferomagnetickými prvkami, ako aj niektoré kovy skupiny aktinidov.

Feromagnety majú hodnotu magnetickej permeability oveľa väčšiu ako jedna; závislosť ich magnetizácie pod vplyvom vonkajšieho magnetického poľa je nelineárna a vyznačujú sa prejavom hysterézie - ak sa pôsobenie magnetického poľa odstráni, feromagnety zostávajú zmagnetizované. Na odstránenie tejto zvyškovej magnetizácie je potrebné použiť pole v opačnom smere.

Graf závislosti magnetickej permeability μ od intenzity magnetického poľa H vo feromagnetiku, nazývaný Stoletovova krivka, ukazuje, že pri nulovej intenzite magnetického poľa H = 0 má magnetická permeabilita malú hodnotu μ₀; potom, ako sa napätie zvyšuje, magnetická permeabilita sa rýchlo zvýši na maximum μ max, potom pomaly klesne na nulu.

Priekopníkom výskumu vlastností feromagnetík bol ruský fyzik a chemik Alexander Stoletov. V súčasnosti nesie jeho meno krivka závislosti magnetickej permeability od intenzity magnetického poľa.

Moderné feromagnetické materiály sú široko používané vo vede a technike: mnohé technológie a zariadenia sú založené na ich použití a na využití fenoménu magnetickej indukcie. Napríklad v počítačová technológia: Prvé generácie počítačov mali pamäť na feritových jadrách, informácie sa ukladali na magnetické pásky, diskety a pevné disky. Tie sa však stále používajú v počítačoch a vyrábajú sa v stovkách miliónov kusov ročne.

Aplikácia magnetickej indukcie v elektrotechnike a elektronike

IN modernom svete Existuje mnoho príkladov využitia indukcie magnetického poľa predovšetkým v silovej elektrotechnike: v generátoroch elektriny, napäťových transformátoroch, v rôznych elektromagnetických pohonoch rôznych zariadení, prístrojov a mechanizmov, v meracej technike a vo vede, v rôznych fyzikálnych zariadeniach na vedenie experimentoch, ako aj v zariadeniach na elektrickú ochranu a núdzové vypnutie.

Elektromotory, generátory a transformátory

V roku 1824 anglický fyzik a matematik Peter Barlow opísal unipolárny motor, ktorý vynašiel a ktorý sa stal prototypom moderných jednosmerných elektromotorov. Vynález je cenný aj preto, že vznikol dávno pred objavom fenoménu elektromagnetickej indukcie.

V súčasnosti takmer všetky elektromotory využívajú ampérovú silu, ktorá pôsobí na prúdový obvod v magnetickom poli a spôsobuje jeho pohyb.

Na demonštráciu fenoménu magnetickej indukcie vytvoril Faraday v roku 1831 experimentálne usporiadanie, ktorého dôležitou súčasťou bolo zariadenie teraz známe ako toroidný transformátor. Princíp činnosti Faradayovho transformátora sa stále používa vo všetkých moderných transformátoroch napätia a prúdu bez ohľadu na výkon, konštrukciu a rozsah použitia.

Faraday navyše vedecky podložil a experimentálne dokázal možnosť premeny mechanického pohybu na elektrinu pomocou ním vynájdeného unipolárneho generátora jednosmerného prúdu, ktorý sa stal prototypom všetkých generátorov jednosmerného prúdu.

Prvý generátor striedavého prúdu vytvoril francúzsky vynálezca Hippolyte Pixie v roku 1832. Neskôr bol na návrh Ampere doplnený o spínacie zariadenie, ktoré umožňovalo získať pulzujúci jednosmerný prúd.

Takmer všetky elektrocentrály využívajúce princíp magnetickej indukcie sú založené na výskyte elektromotorickej sily v uzavretej slučke, ktorá sa nachádza v meniacom sa magnetickom poli. V tomto prípade sa buď magnetický rotor otáča voči stacionárnym statorovým cievkam v generátoroch striedavého prúdu, alebo sa vinutia rotora otáčajú voči stacionárnym statorovým magnetom (jarmo) v generátoroch jednosmerného prúdu.

Najvýkonnejší generátor na svete, ktorý v roku 2013 postavila pre jadrovú elektráreň Taishan čínska spoločnosť DongFang Electric, dokáže generovať výkon 1 750 MW.

Okrem generátorov a elektromotorov tradičný typ spojené s premenou mechanickej energie na elektrickú a naopak, existujú takzvané magnetohydrodynamické generátory a motory pracujúce na inom princípe.

Relé a elektromagnety

Elektromagnet, ktorý vynašiel americký vedec J. Henry, sa stal prvým elektrickým pohonom a predchodcom známeho elektrického zvončeka. Neskôr na jeho základe Henry vytvoril elektromagnetické relé, ktoré sa stalo prvým automatickým spínacím zariadením s binárnym stavom.

Dynamický mikrofón Shure používaný na webovej stránke videoštúdia

Pri prenose telegrafného signálu na veľké vzdialenosti sa ako jednosmerné zosilňovače používali relé, prepínajúce zapojenie externých batérií medzistaníc pre ďalší prenos signálu.

Reproduktory a mikrofóny

V modernej audio technike sú široko používané elektromagnetické reproduktory, ktorých zvuk vzniká interakciou pohyblivej cievky pripevnenej k difúzoru, cez ktorý preteká audiofrekvenčný prúd, s magnetickým poľom v medzere stacionárneho permanentného magnetu. V dôsledku toho sa cievka a difúzor pohybujú a vytvárajú zvukové vlny.

Dynamické mikrofóny používajú rovnakú konštrukciu ako dynamická hlava, ale v mikrofóne naopak pohyblivá cievka s minidifúzorom oscilujúca pod vplyvom akustického signálu v medzere stacionárneho permanentného magnetu generuje elektrický signál zvuku. frekvencia.

Meracie prístroje a snímače

Napriek množstvu moderných digitálnych meracích prístrojov sa v meracej technike stále používajú zariadenia magnetoelektrického, elektromagnetického, elektrodynamického, ferodynamického a indukčného typu.

Všetky systémy vyššie uvedených typov využívajú princíp interakcie magnetických polí buď permanentného magnetu s poľom cievky s prúdom, alebo feromagnetického jadra s poľami cievok s prúdom, alebo magnetických polí prúdových cievok. cievky.

Vďaka relatívnej zotrvačnosti takýchto meracích systémov sú použiteľné na meranie priemerných hodnôt premenných veličín.

Všeobecné informácie

Nápady jedného človeka dokážu úžasným spôsobom ovplyvniť následný vývoj celej ľudskej spoločnosti. Takouto osobou bol Michael Faraday, ktorý nie je príliš zbehlý v zložitosti súčasnej matematiky, ale dokonale chápal fyzikálny význam dovtedy známych informácií o povahe elektriny a magnetizmu vďaka konceptu interakcií polí, ktorý predložil.

Za existenciu modernej spoločnosti založenej na využívaní elektriny, magnetizmu a elektrodynamiky vďačíme celej galaxii úžasných vedcov. Spomedzi nich treba spomenúť Amperea, Oersteda, Henryho, Gaussa, Webera, Lorentza a samozrejme Maxwella. V konečnom dôsledku spojili vedu o elektrine a magnetizme do jedného obrazu, ktorý slúžil ako základ pre celú kohortu vynálezcov, ktorí svojimi výtvormi vytvorili predpoklady pre vznik modernej informačnej spoločnosti.

Žijeme obklopení elektromotormi a generátormi: sú našimi prvými pomocníkmi vo výrobe, v doprave a v každodennom živote. Každý, kto si váži seba, si nevie predstaviť existenciu bez chladničky, vysávača a práčky. Prioritou je aj mikrovlnná rúra, fén, mlynček na kávu, mixér, mixér a - konečný sen - elektrický mlynček na mäso a pekáreň chleba. Klimatizácia je samozrejme tiež veľmi užitočná vec, ale ak nemáte peniaze na jej kúpu, postačí obyčajný ventilátor.

Dokonca aj exoskelety pre ľudí so zdravotným postihnutím a pre armádu sa vyrábajú pomocou elektromotorov, nehovoriac o celej armáde priemyselných a výskumných robotov.

Historický odkaz

Je ťažké odolať citovaniu zákona, ktorý objavil Ampère vo svojej vlastnej formulácii:

Takto boli vo fyzike objavené základné sily, ktoré závisia od rýchlosti.

Ale skutočným prielomom vo vede o elektrine a magnetizme bol objav Michaela Faradaya fenoménu elektromagnetickej indukcie - vzniku elektrického prúdu v uzavretom okruhu, keď sa mení magnetický tok, ktorý ním prechádza. Nezávisle od Faradaya objavil fenomén elektromagnetickej indukcie aj Joseph Henry v roku 1832, ktorý súčasne objavil fenomén samoindukcie.

Faraday na základe svojich experimentov odvodil zákon pre elektromotorickú silu, ktorý bol neskôr pomenovaný po ňom.

Treba poznamenať, že v troch zo štyroch Maxwellových rovníc sa magnetická indukcia objavuje vo forme vektora magnetického poľa.

Magnetická indukcia. Definícia

Magnetická indukcia je vektorová fyzikálna veličina, ktorá je silová charakteristika magnetického poľa (jeho pôsobenie na nabité častice) v danom bode priestoru. Určuje, akou silou F magnetické pole pôsobí na náboj q, pohybujúce sa rýchlosťou v. Označuje sa latinským písmenom IN(vyslovuje sa vektor B) a sila sa vypočíta podľa vzorca:

F = q [v∙B]

Kde F-Lorentzova sila pôsobiaca z magnetického poľa na náboj q; v- rýchlosť pohybu náboja; B- indukcia magnetického poľa; [ v × B] - vektorový súčin vektorov v A B.

Algebraicky možno výraz zapísať takto:

F = q∙v∙B∙sinα

Kde α - uhol medzi vektormi rýchlosti a magnetickej indukcie. Vektorový smer F kolmo na obe a smerované podľa pravidla ľavej ruky.

Magnetická indukcia je hlavnou základnou charakteristikou magnetického poľa, podobne ako vektor intenzity elektrického poľa.

V medzinárodnom systéme jednotiek SI sa indukcia magnetického poľa meria v tesle (T), v systéme CGS - v gaussoch (G)

1 T = 104 G

Ďalšie veličiny na meranie magnetickej indukcie používané v rôznych aplikáciách a ich prevody z jednej veličiny na druhú nájdete v prevodníku fyzikálnych jednotiek.

Meracie prístroje na meranie veľkosti magnetickej indukcie sa nazývajú teslametre alebo gaussmetre.

Indukcia magnetického poľa. Fyzika javov

V závislosti od reakcie na vonkajšie magnetické pole sú všetky látky rozdelené do troch skupín:

Diamagnety
Paramagnety
Feromagnety

Magnetická permeabilita supravodičov je nulová.

Absolútna magnetická permeabilita vzduchu sa približne rovná magnetickej permeabilite vákua a v technických výpočtoch sa berie ako rovná 4π 10 ⁻⁷ H/m

Vlastnosti správania sa magnetického poľa v diamagnetoch

Všetky vodiče vykazujú diamagnetizmus, keď sú vystavené striedavému magnetickému poľu.

Podstatou javu je, že vplyvom striedavého magnetického poľa sa vo vodičoch indukujú vírivé prúdy - Foucaultove prúdy - smerujúce proti pôsobeniu vonkajšieho magnetického poľa.

Vlastnosti správania sa magnetického poľa v paramagnetoch

Vlastnosti správania sa magnetického poľa vo feromagnetikách

Feromagnety vďaka svojej prirodzenej vlastnosti spontánnej magnetizácie tvoria prirodzené magnety, ktoré sú ľudstvu známe už od staroveku. Magnetom sa pripisovali magické vlastnosti, používali sa pri rôznych náboženských rituáloch a dokonca aj pri stavbe budov. Prvý prototyp kompasu, ktorý vynašli Číňania v druhom a prvom storočí pred naším letopočtom, používali zvedaví predkovia pionierov na stavbu domov podľa pravidiel Feng Shui. Použitie kompasu ako navigačného prostriedku sa začalo už v 11. storočí na cestovanie púšťami pozdĺž Hodvábnej cesty. Neskôr hralo používanie kompasu v námorných záležitostiach významnú úlohu pri rozvoji navigácie, objavovaní nových krajín a rozvoji nových námorných obchodných ciest.

Moderné feromagnetické materiály sú široko používané vo vede a technike: mnohé technológie a zariadenia sú založené na ich použití a na využití fenoménu magnetickej indukcie. Napríklad vo výpočtovej technike: prvé generácie počítačov mali pamäť na feritových jadrách, informácie sa ukladali na magnetické pásky, diskety a pevné disky. Tie sa však stále používajú v počítačoch a vyrábajú sa v stovkách miliónov kusov ročne.

Aplikácia magnetickej indukcie v elektrotechnike a elektronike

V modernom svete existuje veľa príkladov využitia indukcie magnetického poľa predovšetkým v silovej elektrotechnike: v generátoroch elektriny, transformátoroch napätia, v rôznych elektromagnetických pohonoch rôznych prístrojov, prístrojov a mechanizmov, v meracej technike a vo vede, v rôzne fyzické inštalácie na vykonávanie experimentov, ako aj na elektrickú ochranu a prostriedky núdzového vypnutia.

Elektromotory, generátory a transformátory

V súčasnosti takmer všetky elektromotory využívajú ampérovú silu, ktorá pôsobí na prúdový obvod v magnetickom poli a spôsobuje jeho pohyb.

Najvýkonnejší generátor na svete, ktorý v roku 2013 postavila pre jadrovú elektráreň Taishan čínska spoločnosť DongFang Electric, dokáže generovať výkon 1 750 MW.

Okrem generátorov a elektromotorov tradičného typu, spojených s premenou mechanickej energie na elektrickú a naopak, existujú takzvané magnetohydrodynamické generátory a motory pracujúce na inom princípe.

Relé a elektromagnety

Dynamický mikrofón Shure používaný na webovej stránke videoštúdia

Pri prenose telegrafného signálu na veľké vzdialenosti sa ako jednosmerné zosilňovače používali relé, prepínajúce zapojenie externých batérií medzistaníc pre ďalší prenos signálu.

Reproduktory a mikrofóny

Meracie prístroje a snímače

Vďaka relatívnej zotrvačnosti takýchto meracích systémov sú použiteľné na meranie priemerných hodnôt premenných veličín.