Lo que se llama la fuerza del campo magnético. Medición de la fuerza del campo magnético

Para describir el campo magnético, se utilizan dos de sus características principales: la inducción B → y la fuerza H →. Estas cantidades están relacionadas. Considere cuál es la fuerza del campo magnético, a qué es igual, cuál es el significado físico de esta cantidad.

Intensidad del campo magnético

La intensidad del campo magnético es una cantidad física vectorial, en el caso general igual a la diferencia entre los vectores de inducción del campo magnético B → y magnetización P m → .

La tensión se denota con la letra H → . La unidad SI de la intensidad del campo magnético es el amperio por metro (amperio metro).

Fórmula de intensidad de campo magnético:

Н → = 1 μ 0 segundo → - PAGS metro → .

Aquí el coeficiente μ 0 es la constante magnética. μ 0 \u003d 1, 25663706 N A 2.

El significado físico de la fuerza del campo magnético.

Inducción de campo magnético - característica de potencia. La inducción determina la fuerza con la que un campo magnético actúa sobre una carga que se mueve en el campo a cierta velocidad.

La intensidad de campo caracteriza la densidad de las líneas de campo (líneas de inducción magnética).

El significado físico de la fuerza del campo magnético.

En el vacío o en ausencia de un medio capaz de magnetizar (por ejemplo, en el aire), la intensidad del campo magnético coincide con la inducción magnética dentro del coeficiente μ 0 .

En los medios capaces de magnetizarse (imanes), la tensión tiene el significado de una especie de "campo externo". Coincide con el vector de inducción magnética, que sería si no existiera el imán.

Hay un teorema sobre la circulación de un campo magnético. Este es uno de los teoremas fundamentales de la electrodinámica formulados por Henri Ampere. A veces también se le llama teorema o ley de Ampère. El teorema de la circulación del campo magnético es una especie de análogo del teorema de Gauss sobre la circulación del vector de intensidad del campo eléctrico.

Teorema de circulación del campo magnético

La circulación del vector de intensidad del campo magnético a lo largo de un circuito cerrado es igual a la suma algebraica de las corrientes de conducción cubiertas por el circuito a lo largo del cual se considera la circulación.

∮ H → re r → = ∑ yo metro

Ejemplo

Determine la circulación del vector de intensidad para un lazo cerrado L .

I 1 \u003d 5 A, I 2 \u003d 2 A, I 3 \u003d 10 A, I 4 \u003d 1 A.

Según el teorema de la circulación:

∮ H → re r → = ∑ yo metro

El circuito bajo consideración cubre las corrientes I 1, I 2, I 3.

Sustituimos los valores teniendo en cuenta las direcciones de las corrientes indicadas en la figura y calculamos la circulación:

∮ H → re r → = ∑ yo metro = 5 UNA 12 UNA + 10 UNA = 13 UNA .

El campo magnético es un campo de vórtice que no es potencial. La circulación del vector tensión en el caso general es diferente de cero.

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Información general

Intensidad de campo magnético e inducción magnética. Parecería, ¿por qué los físicos complicaron los conceptos físicos ya complejos al describir los fenómenos del magnetismo? Dos vectores, igualmente dirigidos, que difieren solo en el coeficiente de proporcionalidad: bueno, ¿cuál es el punto desde el punto de vista de una persona simple que no está demasiado cargada con el conocimiento del campo de la física moderna?

Sin embargo, es precisamente en esta diferencia donde se ocultan los matices que permitieron a los científicos descubrir tanto las asombrosas propiedades de varias sustancias como las leyes de su interacción con un campo magnético, e incluso cambiar nuestras ideas sobre el mundo que nos rodea.

En realidad, esta diferencia esconde un enfoque metodológico diferente. En pocas palabras, en el caso de utilizar el concepto de intensidad de campo magnético, despreciamos la influencia del campo magnético sobre la sustancia en un caso particular; en el caso de aplicar el concepto de inducción magnética, tenemos en cuenta este factor.

Desde un punto de vista técnico, la fuerza de un campo magnético de una configuración arbitrariamente compleja es bastante simple de calcular y la inducción magnética resultante puede medirse.

Detrás de esta aparente sencillez se encuentra el titánico trabajo de toda una galaxia de científicos, separados en el tiempo y el espacio. Sus ideas y conceptos determinaron y continúan determinando el desarrollo de la ciencia y la tecnología en el pasado, presente y futuro.

Y no importa cuán pronto dominemos la energía de fusión con la ayuda de una nueva generación de reactores de fusión basados ​​en la retención de plasma "caliente" por un campo magnético. Cuando enviemos al espacio nuevas generaciones de robots de investigación en cohetes basados ​​en la aplicación de principios distintos a la quema de combustible químico. O, en particular, resolveremos el problema de corregir las órbitas de los microsatélites utilizando propulsores Hall. O cuán completamente podemos utilizar la energía del Sol, cuán rápido y económicamente podemos movernos alrededor de nuestro planeta: los nombres de los pioneros de la ciencia permanecerán para siempre en nuestra memoria.

Ya la generación moderna de científicos e ingenieros del siglo XXI, armada con el conocimiento acumulado de sus predecesores, se someterá a la tarea de la levitación magnética, mientras se prueba en laboratorios y proyectos piloto; y el problema de extraer energía del medio ambiente con la ayuda de la implementación técnica del "demonio de Maxwell" utilizando materiales e interacciones de un nuevo tipo hasta ahora no vistos. Los primeros prototipos de tales dispositivos ya aparecieron en Kickstarter.

Al mismo tiempo, se resolverá el principal problema de la humanidad: la transformación en calor de las reservas de carbón e hidrocarburos acumuladas durante cientos de millones de años, que cambian sin piedad el clima de nuestro planeta por los productos de combustión. Y la revolución termonuclear que se avecina, que garantiza, tras su desarrollo irreflexivo, la muerte térmica de cualquier vida orgánica sobre la Tierra, no se convertirá en una sentencia de muerte para la civilización. Después de todo, la energía de cualquier tipo que gastamos eventualmente se convierte en calor y calienta nuestro planeta.

El caso de poca monta; ¡espera y verás!

referencia histórica

A pesar de que los imanes en sí mismos y el fenómeno de la magnetización se conocen desde hace mucho tiempo, el estudio científico del magnetismo comenzó con el trabajo del científico medieval francés Pierre Pelerin de Maricourt allá por 1269. De Maricourt firmó sus obras con el nombre de Petrus Peregrinus (lat. Petrus Peregrinus).

Al investigar el comportamiento de una aguja de hierro cerca de un imán esférico, el científico descubrió que la aguja se comporta de una manera especial cerca de dos puntos, a los que llamó polos. Es tentador dar una analogía con los polos magnéticos de la Tierra, ¡pero en ese momento por esa forma de pensar uno podría ir fácilmente a la hoguera! Además, el investigador descubrió que cualquier imán siempre tiene (en términos modernos) un polo norte y un polo sur. Y no importa cómo cortes el imán en sección longitudinal o transversal, de todos modos, cada uno de los imanes resultantes siempre tendrá dos polos, sin importar cuán delgado sea.

La idea "sediciosa" de que la tierra misma es un imán fue publicada por el médico y naturalista inglés William Gilbert en De Magnete, publicado casi tres siglos después, en 1600.

En 1750, el científico inglés John Mitchell descubrió que los imanes se atraen y se repelen (interactúan) de acuerdo con la ley del cuadrado inverso. En 1785, el científico francés Charles Augustin de Coulomb probó experimentalmente las suposiciones de Mitchell y descubrió que los polos magnéticos norte y sur no podían separarse. No obstante, por analogía con la ley de interacción de las cargas eléctricas descubierta por él anteriormente, Coulomb asumió la existencia de cargas magnéticas - hipotéticamente monopolos magnéticos.

Basado en los hechos sobre el magnetismo que él conocía en ese momento y en el enfoque metodológico que prevalecía en la ciencia en ese momento para construir teorías de interacción sobre ciertos líquidos, en 1824, el compatriota de Coulomb, Simeon Denis Poisson, creó el primer modelo exitoso de magnetismo. En su modelo teórico, el campo magnético fue descrito por dipolos de cargas magnéticas.

Pero casi de inmediato, tres descubrimientos seguidos arrojaron dudas sobre el modelo de Poisson. Considerémoslos a continuación.

El físico danés Hans Christian Oersted en 1819 notó la desviación de una brújula magnética al encender y apagar la corriente eléctrica que circulaba por un conductor en forma de alambre, descubriendo así la relación entre la electricidad y el magnetismo.

En 1820, el científico francés André-Marie Ampère descubrió que los conductores con corrientes que fluyen en una dirección se atraen y se repelen en la dirección opuesta. En el mismo 1820, los físicos franceses Jean-Baptiste Biot y Felix Savard descubrieron una ley que más tarde recibió su nombre. Esta ley hizo posible calcular la fuerza del campo magnético alrededor de cualquier conductor con corriente, independientemente de su configuración geométrica.

Resumiendo los datos teóricos y experimentales obtenidos, Ampère expresó la idea de la equivalencia de las corrientes eléctricas y las manifestaciones del magnetismo. Desarrolló su modelo de magnetismo, en el que reemplazó los dipolos magnéticos haciendo circular corrientes eléctricas en pequeños circuitos cerrados. El modelo de Ampere de la manifestación del magnetismo tenía una ventaja sobre el modelo de Poisson, ya que explicaba la imposibilidad de separar los polos de los imanes.

Ampere también propuso el término "electrodinámica" para describir tales fenómenos, lo que extendió la aplicación de la ciencia de la electricidad a objetos eléctricos dinámicos, complementando así la electrostática. Quizás la mayor influencia para comprender la esencia de las manifestaciones del magnetismo fue el concepto de representar la interacción de los imanes a través de un campo de fuerza, descrito por líneas de fuerza, propuesto por el científico inglés Michael Faraday. El fenómeno de la inducción electromagnética descubierto en 1831 por Faraday fue posteriormente explicado por el matemático alemán Franz Ernst Neumann. Este último demostró que la aparición de una corriente eléctrica en un circuito cerrado con un cambio en el flujo magnético que lo atraviesa es simplemente una consecuencia de la ley de Ampère. Neumann introdujo en la ciencia el concepto de potencial magnético vectorial, que en muchos aspectos es equivalente a la intensidad de las líneas de fuerza del campo magnético de Faraday.

El destacado físico inglés William Thompson (Lord Kelvin) puso el punto final en la disputa entre los dos modelos de magnetismo en 1850. Introducción al concepto de magnetización media METRO, en el que hay un campo magnético, no sólo estableció la relación entre la fuerza del campo magnético H y vector de inducción magnética B, sino que también determinó las áreas de aplicabilidad de estos conceptos.

La intensidad del campo magnético. Definición

La intensidad del campo magnético es una cantidad física vectorial igual a la diferencia en el vector de inducción magnética B y el vector de magnetización METRO. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), el valor de la intensidad del campo magnético se determina mediante la fórmula:

H= (1/μ 0) B - METRO

donde μ0 es la constante magnética, a veces denominada permeabilidad magnética al vacío

En el sistema de unidades CGS, la intensidad del campo magnético se determina mediante una fórmula diferente:

H = B- 4 pi METRO

En el Sistema Internacional de Unidades SI, la intensidad del campo magnético se mide en amperios por metro (A / m), en el sistema CGS, en oersteds (Oe).

En ingeniería eléctrica, también existe una unidad fuera del sistema para medir la tensión: un amperio-vuelta por metro. Otras magnitudes de medición de la intensidad del campo magnético utilizadas en diversas aplicaciones, y su conversión de una magnitud a otra, se pueden encontrar en el convertidor de magnitudes físicas.

Los instrumentos de medición para medir la magnitud del campo magnético, así como los instrumentos para medir la inducción magnética, se denominan teslametros o magnetómetros.

La intensidad del campo magnético. Física de los fenómenos

Investigación tokamak ( después roidal ka medir con mamá bobinas) que trabajó en el instituto de investigación de la empresa pública de energía Hydro-Québec en los suburbios de Montreal de 1987 a 1997, cuando el proyecto se cerró por razones presupuestarias. La instalación está en exhibición en el Museo Canadiense de Ciencia y Tecnología.

En el vacío (en el sentido clásico del término) o en ausencia de un medio capaz de polarización magnética, o en los casos en que la polarización magnética del medio pueda despreciarse, la intensidad del campo magnético H coincide (hasta un coeficiente) con el vector de inducción magnética A. Para el sistema CGS, este coeficiente es igual a 1, para el sistema de unidades SI - μ0.

La fuerza del campo magnético se debe a las corrientes libres (externas), que son fáciles de medir o calcular. Es decir, la intensidad tiene sentido para un campo magnético externo creado por una bobina portadora de corriente en la que se inserta un material capaz de magnetizarse. Si no estamos interesados ​​en el comportamiento del material bajo la acción de un campo magnético, entonces es suficiente operar solo con la fuerza del campo magnético. Por ejemplo, la intensidad será suficiente para el cálculo técnico de la interacción de los campos magnéticos de dos o más bobinas con la corriente. La fuerza resultante será la suma vectorial de los campos creados por las bobinas portadoras de corriente individuales.

Dado que la mayoría de los dispositivos electromagnéticos funcionan en el aire, es importante conocer su permeabilidad magnética. La permeabilidad magnética absoluta del aire es aproximadamente igual a la permeabilidad magnética del vacío y se considera igual a 4π 10⁻⁷ H/m en cálculos técnicos.

Otra cosa es cuando nos interesa el comportamiento de un medio capaz de magnetizarse, por ejemplo, cuando se utilizan fenómenos de resonancia magnética nuclear. En RMN, los núcleos de los átomos, también llamados nucleones y que tienen un giro semientero (momento magnético), absorben o emiten energía electromagnética a ciertas frecuencias cuando se exponen a un campo magnético. En estos casos, es la inducción magnética la que debe tenerse en cuenta.

El uso de la fuerza del campo magnético en la tecnología.

En la mayoría de los casos de aplicación práctica de un campo magnético, por ejemplo, para crearlo o para medir su magnitud, la intensidad del campo magnético juega un papel fundamental. Hay muchos ejemplos del uso de un campo magnético, principalmente en tecnología de medición y en varias configuraciones experimentales.

Un campo magnético de cierta fuerza y ​​configuración mantiene los filamentos de plasma o corrientes de partículas cargadas en reactores termonucleares de investigación y aceleradores de partículas elementales, evitando así que el plasma se enfríe al entrar en contacto con las paredes que lo encierran. También desvía los flujos de iones o electrones en espectrómetros y cinescopios.

Medir la fuerza del campo magnético de la Tierra en varios puntos es muy importante para evaluar el estado de su magnetosfera. Incluso existe toda una red de estaciones terrestres y constelaciones de satélites científicos para monitorear la fuerza del campo magnético de la Tierra. Su trabajo permite predecir las tormentas magnéticas que se producen en el Sol minimizando, en la medida de lo posible, sus consecuencias.

La medición de la intensidad de campo permite realizar diversos estudios, clasificar materiales y escombros, así como garantizar nuestra seguridad mediante la detección de armas terroristas o minas plantadas.

Magnetómetros

Toda una clase de instrumentos de medición se llama magnetómetros, diseñados para medir la magnetización de materiales o para determinar la fuerza y ​​dirección de un campo magnético.

El primer magnetómetro fue inventado por el gran matemático y físico alemán Carl Friedrich Gauss en 1833. Este dispositivo era un dispositivo óptico con una varilla magnetizada giratoria suspendida de un hilo de oro y un espejo pegado a ella perpendicular al eje del imán. Se midió la diferencia entre las vibraciones de la varilla magnetizada y desmagnetizada.

Hoy en día, se utilizan magnetómetros más sensibles basados ​​en otros principios, en particular, en sensores Hall, uniones de túnel Josephson (magnetómetros SQUID), inducción y resonancia NMR. Son ampliamente utilizados en diversas aplicaciones: medición del campo magnético terrestre, en estudios geofísicos de anomalías magnéticas y en la búsqueda de minerales; en asuntos militares para detectar objetos como submarinos, barcos hundidos o tanques camuflados que distorsionan el campo magnético terrestre con su campo; para buscar municiones sin detonar o colocadas en el campo de operaciones de combate. Debido a la miniaturización y la reducción del consumo de corriente, los teléfonos inteligentes y las tabletas están equipados con magnetómetros modernos. Ahora los magnetómetros se incluyen como un componente integral en el equipo de vehículos aéreos no tripulados de reconocimiento y satélites espía.

Un detalle interesante: en relación con el aumento de la sensibilidad de los magnetómetros, uno de los factores en la transición de la construcción de submarinos a cascos de titanio en lugar de cascos de acero fue precisamente la disminución radical de su visibilidad en un campo magnético. Anteriormente, los submarinos con casco de acero, así como los barcos de superficie, tenían que someterse a un procedimiento de desmagnetización de vez en cuando.

Los magnetómetros se utilizan en la perforación de pozos y socavones, en arqueología para delinear excavaciones y buscar artefactos, en biología y medicina.

detector de metales

Se han realizado intentos de utilizar la fuerza del campo magnético en asuntos militares desde la Primera Guerra Mundial, que dejó millones de municiones y minas sin explotar en los campos de batalla. El más exitoso fue el desarrollado a principios de los años 40 del siglo pasado, el teniente del ejército polaco Jozef Stanislav Kosatsky, adoptado por el ejército británico y que fue de considerable utilidad en la limpieza de campos minados durante la persecución de los alemanes en retirada por parte de las tropas de General Montgomery durante la segunda batalla de El Alamein. A pesar de que el equipo de Kosatsky estaba hecho en tubos de vacío, pesaba solo 14 kilogramos con baterías y era tan efectivo que sus modificaciones fueron utilizadas por el ejército británico durante 50 años.

Ahora no nos sorprende, en relación con la propagación del terrorismo, pasar a través de los marcos de inducción de los detectores de metales antes de abordar un avión o ir a un partido de fútbol, ​​examinar los objetos de nuestro equipaje por parte de los guardias o registrarlos personalmente con la mano. tenían detectores de metales para detectar armas.

Los detectores de metales domésticos también se han generalizado, y en las playas de los centros turísticos de moda, la imagen de buscadores de tesoros perdidos peinando las playas locales con la esperanza de encontrar algo de valor se ha vuelto familiar.

Efecto Hall y dispositivos basados ​​en él.

Probablemente, todos nos encontramos en la infancia con las maravillosas propiedades de los imanes ordinarios. Una pequeña pieza de metal atrajo hacia sí algunas piezas de hierro y repelió otras.

Las sorprendentes propiedades del imán no se limitan a esto. Por ejemplo, un imán suspendido de un hilo siempre se ubica en el espacio de cierta manera; esta propiedad formó la base para la invención de la brújula. Los puntos finales del imán son los más "fuertes". Se llaman "polos". Las propiedades específicas de un imán se deben a sus campos magnéticos, que no son materia pero se comportan de forma muy tangible. Una de las características más importantes es la fuerza del campo magnético.

Características del campo magnético

Cualquier campo magnético tiene energía que se manifiesta al interactuar con otros cuerpos. Bajo la influencia de las fuerzas magnéticas, las partículas en movimiento cambian la dirección de su flujo. El campo magnético aparece solo alrededor de aquellas cargas eléctricas que están en movimiento. Cualquier cambio en el campo eléctrico conlleva la aparición de campos magnéticos.

La afirmación inversa también es cierta: un cambio en el campo magnético es un requisito previo para la aparición de uno eléctrico. Tal estrecha interacción condujo a la creación de la teoría de las fuerzas electromagnéticas, con la ayuda de la cual varios fenómenos físicos se explican con éxito hasta el día de hoy.

Imagen de campos magnéticos

El campo magnético se puede representar en una hoja de papel usando líneas de fuerza. Están dibujados de tal manera que la dirección real de las fuerzas de campo en cada punto coincide con las dibujadas. La dirección de los campos de fuerza se puede determinar utilizando la aguja de una brújula, cuyo polo norte siempre es tangencial a la línea de fuerza. El Polo Norte suele designarse como el lugar de donde provienen las líneas del campo magnético, y el Polo Sur es el lugar por donde ingresan. Debe recordarse que dicha división es muy condicional y se tiene en cuenta solo por su claridad.

¿Qué es la intensidad magnética?

Las limaduras de hierro que se alinean a lo largo de los campos magnéticos prueban que un campo magnético tiene dos indicadores importantes: magnitud y dirección. En cualquier punto del espacio, el campo magnético se propaga a una velocidad igual a la de la luz en el vacío: 300 000 kilómetros por segundo.

Para definir las características del campo magnético, los científicos han introducido el valor de "fuerza". Esta es una cantidad vectorial que indica la dirección del campo magnético y el número de sus líneas de fuerza. Según sus características, la intensidad del campo magnético es similar al concepto de "fuerza" en mecánica. Este indicador no depende de los parámetros del medio en el que se realizan los experimentos, sino únicamente de la fuerza del flujo magnético y la distancia a la fuente que produce el campo. En varios casos, dicha fuente puede ser un solo imán, una bobina magnética, un cable eléctrico. En cada uno de estos casos, surge un campo magnético con ciertas características.

Fuerza de campo electromagnético en experimentos.

Considere un solo cable que transporta una corriente eléctrica. Cuando este cable se mueve a su alrededor, se genera un campo magnético. Sus características pueden expresarse en términos de intensidad, la cual está determinada por la medida de la influencia del campo magnético sobre el cuerpo bajo estudio.

Puede examinar el campo magnético dentro de la bobina. En este caso, la tensión dependerá directamente del número de vueltas de la bobina y de la distancia entre ésta y el cuerpo en estudio.

Combinando estas dos conclusiones, podemos resumir: la fuerza del campo magnético en cualquier punto del espacio es inversamente proporcional a la longitud de la línea magnética y es directamente proporcional al producto del número de vueltas de la bobina y la fuerza actual.

Inducción magnética

La definición de la fuerza del campo magnético estaría incompleta sin el concepto de "inducción magnética". Este valor explica cuánto trabajo puede hacer un campo magnético dado. Cuanto más fuerte es el campo magnético, más trabajo puede producir, mayor es el valor de su inducción magnética.

En física, la inducción magnética se denota con la letra Ḇ. Se puede visualizar como la densidad de líneas de campo magnético por unidad de área de la superficie, que se encuentra perpendicular al campo magnético medido. Actualmente, la inducción magnética se mide en Tesla.

flujo magnético

Otra cantidad que caracteriza ampliamente el campo magnético. El flujo magnético determina cuántas líneas de fuerza impregnan una cierta unidad de área. En un campo magnético uniforme, el valor del flujo magnético se calculará mediante la fórmula:

Ф= Ḇ/S, donde:

Ф - flujo magnético;

Ḇ - valor de la inducción magnética;

S es el área a través de la cual pasan las líneas del campo magnético.

En el sistema de unidades SI, el flujo magnético se mide en Webers.

Fórmula de tensión

El significado físico de esta cantidad se puede expresar mediante la fórmula: H \u003d I × ω / L, donde:

L es la distancia entre el cuerpo y la fuente del campo magnético;

ω es el número de vueltas de la bobina;

I es la fuerza actual en el circuito eléctrico.

De esta ecuación podemos concluir que la tensión se mide en [A/m], ya que las vueltas en la bobina son un valor cuantitativo.

fuerza de magnetización

El producto H × I en esta fórmula no es más que una analogía del voltaje del campo eléctrico. Si este parámetro se aplica a toda la longitud de la línea de inducción magnética, el producto resultante se denominará fuerza de magnetización (n.s.). Esta cantidad física se mide en amperios, pero los expertos prefieren el término "amperio-vuelta", enfatizando la dependencia directa de la fuerza en el número de vueltas de la bobina.

regla de la barrena

Para determinar la dirección del campo magnético de una bobina o alambre, los expertos usan la regla de gimlet. Si el movimiento de "torsión" de un gimlet imaginario es paralelo a la dirección de la corriente en el circuito, entonces el "mango" del gimlet muestra cómo se ubicarán las líneas del campo magnético.

Ejemplos para determinar la intensidad del campo magnético

Ejemplo 1 Hay una bobina con un número de vueltas de 100 y una longitud de 10 cm, es necesario garantizar el valor especificado de la intensidad del campo magnético de 5000A/m. ¿Qué corriente debe fluir a través de la bobina?

Solución: De acuerdo con la definición, la fuerza de magnetización de la bobina es H = I×ω/ L. Y el producto H×I da la fuerza de magnetización. Desde aquí puede derivar el valor de la intensidad actual, que es igual a: 5000A / m * 0,1 m \u003d intensidad actual * número de vueltas. Resolviendo una proporción simple, obtenemos que la intensidad de corriente en este problema debe ser igual a 5A.

Ejemplo 2 La bobina tiene 2000 vueltas y por ella fluye una corriente de 5 amperios. ¿Cuál es la fuerza magnetizante de la bobina?

Solución: Una fórmula simple da la respuesta: n.s.= I×ω. Por lo tanto, n.s = 2000 × 5 = 10000 amperios vueltas.

Ejemplo 3

¿Cómo determinar la intensidad del campo magnético de un cable eléctrico recto a una distancia de 5 cm? La corriente que fluye a través del alambre es de 30 A.

En este ejemplo, también necesitaremos la fórmula

En el caso de un cable recto, el número de vueltas de la bobina será 1 y la longitud l = 2∙π∙r.

De esto se puede deducir que

H \u003d 30 / (2 * 3.14 * 0.02) \u003d 238.85 A / m.

Estos y otros problemas similares se pueden resolver fácilmente con la ayuda de un curso básico de física escolar. La solución de ejemplos tan simples ayudará a comprender la esencia cualitativa de los procesos electromagnéticos en la naturaleza que nos rodea.

Una de las características físicas más importantes de los hábitats humanos tanto naturales como artificiales es el campo magnético. Es una de las formas de existencia del campo electromagnético. La principal característica distintiva de esta forma es que el campo magnético afecta solo a aquellas partículas y cuerpos que, por un lado, están en movimiento continuo y, por el otro, contienen una cierta carga eléctrica.

Incluso del curso de física se sabe que para crear un campo magnético, se necesita un conductor con corriente y campos eléctricos alternos. Las características más importantes de este campo son el vector de inducción magnética y la intensidad magnética.

La intensidad del campo magnético es una de las cantidades vectoriales estudiadas en física, que es la suma de la diferencia entre el vector de inducción electromagnética y el vector de magnetización. Dado que la intensidad magnética es, entonces su unidad de medida generalmente aceptada y más común se considera un amperio por metro. Para obtener una intensidad de campo electromagnético de 1 a/m, es necesario que fluya una corriente eléctrica de 2π amperios en un cable extendido recto con el diámetro de sección transversal más pequeño. En este caso, en todos los puntos formados por éste a una distancia de 1 metro, la intensidad del campo electromagnético será igual a 1 a/m.

Se puede estimar la fuerza del campo magnético o, en otras palabras, el número de líneas de fuerza de este campo. En particular, para determinar la dirección de estas líneas, puede usar la conocida regla Esta regla es una de las piedras angulares de toda la ingeniería eléctrica. Dice que si la dirección general de movimiento de la barrena es completamente idéntica a la dirección de la corriente eléctrica en un conductor en particular, entonces la dirección de rotación de la barrena es idéntica a la dirección de las líneas magnéticas.

Centrándonos en esta regla, es fácil probar que las líneas magnéticas que surgen en las vueltas de la bobina están dirigidas en la misma dirección. De esto podemos concluir que la fuerza del campo magnético dentro de la bobina será mucho más fuerte que la fuerza creada por una vuelta. Esto se debe, entre otras cosas, al hecho de que las líneas de fuerza de las vueltas vecinas están dirigidas paralelas entre sí, pero en diferentes direcciones, por lo tanto, la intensidad del campo magnético entre ellas disminuirá constantemente.

Es bastante natural que el campo magnético de cualquier bobina sea directamente proporcional al valor que pasa a través de sus vueltas. Además, la fuerza del campo magnético depende directamente de qué tan cerca estén estos giros entre sí. Se ha comprobado experimentalmente que en dos bobinas en las que fluye una corriente eléctrica de la misma intensidad, y el número de vueltas es absolutamente el mismo, el campo magnético será más fuerte en aquella en la que la bobina tiene menor longitud axial, es decir , sus giros están ubicados mucho más cerca uno del otro.

Muy significativo es el valor numérico de las vueltas de amperios, que se puede calcular multiplicando el número de vueltas en la bobina por la fuerza de la corriente que fluye en ellas. La fuerza magnetomotriz también dependerá de la magnitud de los amperio-vueltas. Con base en este concepto, se puede probar fácilmente que el campo magnético de la bobina investigada es directamente proporcional al número de amperios-vueltas por unidad de longitud axial. En otras palabras, la fuerza del campo electromagnético es mayor cuanto mayor es la magnitud de la fuerza magnetomotriz generada en la bobina en estudio.

Además de los campos magnéticos creados artificialmente, también existe uno natural, que se forma principalmente en la capa exterior del núcleo. Las principales características de este campo, incluida la intensidad, cambian tanto en el tiempo como en el espacio, pero todas las leyes básicas que son características de los campos creados artificialmente también funcionan en el campo geomagnético.

El campo magnético de un imán permanente es causado por el movimiento de electrones en sus órbitas en un átomo.

El campo magnético se caracteriza por la intensidad. La intensidad H del campo magnético es similar a la fuerza mecánica. Es una cantidad vectorial, es decir, tiene una magnitud y una dirección.

El campo magnético, es decir, el espacio alrededor del imán, se puede representar lleno de líneas magnéticas, que generalmente se considera que salen del polo norte del imán y entran en el sur (Fig. 1). Las tangentes a la línea magnética muestran la dirección de la fuerza del campo magnético.

La fuerza del campo magnético es mayor donde las líneas magnéticas son más gruesas (en los polos de un imán o dentro de una bobina con corriente).

El campo magnético cerca del conductor (o dentro de la bobina) es mayor cuanto mayor es la corriente I y el número de vueltas ω de la bobina.

La fuerza del campo magnético H en cualquier punto del espacio es mayor cuanto mayor sea el producto I∙ω y menor la longitud de la línea magnética:

H=(I∙ω)/l.

De la ecuación se deduce que la unidad de medida de la intensidad del campo magnético es el amperio por metro (A/m).

Para cada línea magnética en un campo homogéneo dado, los productos H1∙l1=H2∙l2=...=H∙l=I∙ω son iguales (Fig. 1).

Arroz. una.

El producto H∙l en circuitos magnéticos es similar al voltaje en circuitos eléctricos y se llama voltaje magnético, y tomado a lo largo de la línea de inducción magnética se llama fuerza magnetizante (n.s.) Fm: Fm=H∙l=I ∙ω.

La fuerza de magnetización Fm se mide en amperios, pero en la práctica técnica, en lugar del nombre amperio, se usa el nombre amperio-vuelta, lo que enfatiza que Fm es proporcional a la corriente y al número de vueltas.

Para una bobina cilíndrica sin núcleo, cuya longitud es mucho mayor que su diámetro (l≫d), el campo magnético dentro de la bobina se puede considerar homogéneo, es decir, que tiene la misma intensidad de campo magnético H en todo el espacio interno de la bobina. bobina (Fig. 1). Dado que el campo magnético fuera de dicha bobina es mucho más débil que dentro de ella, el campo magnético externo puede despreciarse y, en el cálculo, podemos suponer que n. Con. bobina es igual al producto de la intensidad de campo dentro de la bobina y la longitud de la bobina.

La polaridad del campo magnético de un alambre y una bobina portadora de corriente está determinada por la regla de gimlet. Si el movimiento de traslación de la barrena coincide con la dirección de la corriente, entonces la dirección de rotación del mango de la barrena indicará la dirección de las líneas magnéticas.

Ejemplos

1. Una corriente de 3 A fluye a través de una bobina que tiene 2000 espiras ¿Cuál es n. Con. bobinas?

Fm=I∙ω=3∙2000=6000 A. La fuerza de magnetización de la bobina es de 6000 amperios-vueltas.

2. Una bobina de 2500 vueltas debe tener n. Con. 10000 A. ¿Qué corriente debe fluir a través de él?

Yo=Fm/ω=(I∙ω)/ω=10000/2500=4 A.

3. A través de la bobina fluye una corriente I \u003d 2 A. ¿Cuántas vueltas debe haber en la bobina para garantizar n? Con. 8000 ¿eh?

ω= Fm/I=(I∙ω)/I=8000/2=4000 vueltas.

4. En el interior de la bobina de 10 cm de largo, con 100 espiras, es necesario asegurar la intensidad del campo magnético H=4000 A/m. ¿Qué corriente debe fluir a través de la bobina?

Fuerza de magnetización de la bobina Fм=H∙l=I∙ω. Por lo tanto 4000 A / m ∙ 0.1 m = I ∙ 100; I=400/100=4 A.

5. El diámetro de la bobina (solenoide) es D = 20 mm y su longitud es l = 10 cm La bobina está enrollada a partir de un alambre de cobre con un diámetro de d = 0,4 mm. ¿Cuál es la fuerza del campo magnético dentro de la bobina si se enciende con un voltaje de 4,5 V?

El número de vueltas sin tener en cuenta el espesor del aislamiento ω=l∶d=100∶0.4=250 vueltas.

La longitud del giro π∙d=3.14∙0.02 m = 0.0628 m.

Longitud del cable de la bobina l1=250∙0,0628 m =15,7 m.

Resistencia activa de bobina r=ρ∙l1/S=0.0175∙(4∙15.7)/(3.14∙0.16)=2.2 Ohm.

Corriente I \u003d U / r \u003d 4.5 / 2.2 \u003d 2.045 A ≈2 A.

La fuerza del campo magnético dentro de la bobina H=(I∙ω)/l=(2∙250)/0.1=5000 A/m.

6. Determine la fuerza del campo magnético a una distancia de 1, 2, 5 cm de un cable recto a través del cual fluye una corriente I = 100 A.

Usemos la fórmula H∙l=I∙ω.

Para un alambre recto ω=1 y l=2∙π∙r,

de donde H= I/(2∙π∙r).

H1=100/(2∙3.14∙0.01)=1590 A/m; H2=795 A/m; H3=318 A/m.