Μια ειδική μορφή ύπαρξης της ύλης, το μαγνητικό πεδίο της Γης έχει συμβάλει στη γέννηση και τη διατήρηση της ζωής. Θραύσματα αυτού του πεδίου, κομμάτια μεταλλεύματος που έλκονται από το σίδηρο, οδήγησαν σε ηλεκτρική ενέργεια στην υπηρεσία της ανθρωπότητας. Χωρίς ηλεκτρικό ρεύμα, η επιβίωση θα ήταν αδιανόητη.
Περιεχόμενο
Τι είναι οι γραμμές μαγνητικής επαγωγής
Το μαγνητικό πεδίο ορίζεται από την ένταση σε κάθε σημείο του χώρου του. Οι καμπύλες που ενώνουν σημεία πεδίου ίσων modulo τάσεων ονομάζονται γραμμές μαγνητικής επαγωγής. Η ένταση του μαγνητικού πεδίου σε ένα συγκεκριμένο σημείο είναι ένα χαρακτηριστικό δύναμης και για την εκτίμησή της χρησιμοποιείται το διάνυσμα του μαγνητικού πεδίου Β. Η διεύθυνσή του σε ένα συγκεκριμένο σημείο της γραμμής μαγνητικής επαγωγής είναι εφαπτόμενη σε αυτήν.
Εάν ένα σημείο στο χώρο επηρεάζεται από διάφορα μαγνητικά πεδία, η ισχύς του προσδιορίζεται με το άθροισμα των διανυσμάτων μαγνητικής επαγωγής κάθε μαγνητικού πεδίου. Στην περίπτωση αυτή, η ένταση σε ένα συγκεκριμένο σημείο αθροίζεται modulo και το διάνυσμα της μαγνητικής επαγωγής ορίζεται ως το άθροισμα των διανυσμάτων όλων των μαγνητικών πεδίων.
Αν και οι γραμμές μαγνητικής επαγωγής είναι αόρατες, έχουν ορισμένες ιδιότητες:
- Υποθέτουμε ότι οι δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου εξέρχονται από τον πόλο (Ν) και επιστρέφουν από τον πόλο (S).
- Η κατεύθυνση του διανύσματος της μαγνητικής επαγωγής είναι εφαπτομενική της γραμμής.
- Παρά το πολύπλοκο σχήμα, οι καμπύλες δεν τέμνονται και είναι αναγκαστικά βραχυκυκλωμένες.
- Το μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό του μαγνήτη είναι ομοιογενές και η πυκνότητα των γραμμών είναι μέγιστη.
- Μόνο μία γραμμή μαγνητικής επαγωγής διέρχεται από ένα σημείο του πεδίου.
Κατεύθυνση των γραμμών μαγνητικής επαγωγής στο εσωτερικό ενός μόνιμου μαγνήτη
Ιστορικά, η φυσική ιδιότητα ορισμένων λίθων να προσελκύουν το σίδηρο έχει παρατηρηθεί εδώ και πολύ καιρό σε πολλά μέρη της Γης. Με την πάροδο του χρόνου, στην αρχαία Κίνα, τα βέλη που σκαλίζονταν με συγκεκριμένο τρόπο από κομμάτια σιδηρομεταλλεύματος (μαγνητική σιδηρόπετρα) μετατράπηκαν σε πυξίδες, δείχνοντας την κατεύθυνση προς το βόρειο και το νότιο πόλο της Γης και επιτρέποντας τον προσανατολισμό στο έδαφος.
Η έρευνα για αυτό το φυσικό φαινόμενο έδειξε ότι τα κράματα σιδήρου έχουν ισχυρότερη μαγνητική ιδιότητα για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Οι ασθενέστεροι φυσικοί μαγνήτες είναι μεταλλεύματα που περιέχουν νικέλιο ή κοβάλτιο. Μελετώντας τον ηλεκτρισμό, οι επιστήμονες έμαθαν πώς να κατασκευάζουν τεχνητά μαγνητισμένα αντικείμενα από κράματα που περιέχουν σίδηρο, νικέλιο ή κοβάλτιο. Για να γίνει αυτό, τοποθετήθηκαν σε μαγνητικό πεδίο που παράγεται από συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα και, εάν ήταν απαραίτητο, απομαγνητίστηκαν με εναλλασσόμενο ρεύμα.
Τα προϊόντα που μαγνητίζονται στη φύση ή παράγονται τεχνητά έχουν δύο διαφορετικούς πόλους - τα σημεία όπου ο μαγνητισμός είναι πιο συγκεντρωμένος. Οι μαγνήτες αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω ενός μαγνητικού πεδίου, έτσι ώστε οι πόλοι με το ίδιο όνομα να απωθούνται και οι πόλοι με διαφορετικά ονόματα να έλκονται. Αυτό διαμορφώνει περιστροφικές ροπές για τον προσανατολισμό τους στο χώρο ισχυρότερων πεδίων, π.χ. το πεδίο της Γης.
Μια οπτική αναπαράσταση της αλληλεπίδρασης ασθενώς μαγνητισμένων στοιχείων και ενός ισχυρού μαγνήτη δίνεται από την κλασική εμπειρία με τα ρινίσματα χάλυβα διάσπαρτα σε χαρτόνι και έναν επίπεδο μαγνήτη από κάτω. Ειδικά αν το πριονίδι είναι μακρόστενο, μπορεί κανείς να δει καθαρά πώς ευθυγραμμίζεται κατά μήκος των δυναμικών γραμμών του μαγνητικού πεδίου. Αλλάζοντας τη θέση του μαγνήτη κάτω από το χαρτόνι, παρατηρείται αλλαγή στη διαμόρφωση της εικόνας τους. Η χρήση πυξίδων σε αυτό το πείραμα ενισχύει περαιτέρω την επίδραση της κατανόησης της δομής του μαγνητικού πεδίου.
Μία από τις ιδιότητες των γραμμών μαγνητικού πεδίου που ανακάλυψε ο M. Ο Faraday προτείνει ότι είναι κλειστά και συνεχή. Οι γραμμές που βγαίνουν από το βόρειο πόλο ενός μόνιμου μαγνήτη εισέρχονται στο νότιο πόλο. Ωστόσο, στο εσωτερικό του μαγνήτη δεν είναι ανοικτά και εισέρχονται από το νότιο πόλο στο βόρειο πόλο. Ο αριθμός των γραμμών στο εσωτερικό του προϊόντος μεγιστοποιείται, το μαγνητικό πεδίο είναι ομοιογενές και η επαγωγή μπορεί να γίνει ασθενέστερη κατά την απομαγνήτιση.
Προσδιορισμός της κατεύθυνσης του διανύσματος της μαγνητικής επαγωγής με χρήση του κανόνα του τρυπανιού
Στις αρχές του 19ου αιώνα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι ένα μαγνητικό πεδίο δημιουργείται γύρω από έναν αγωγό που διαρρέεται από ρεύμα. Οι προκύπτουσες γραμμές δύναμης συμπεριφέρονται σύμφωνα με τους ίδιους κανόνες όπως ένας φυσικός μαγνήτης. Επιπλέον, η αλληλεπίδραση μεταξύ του ηλεκτρικού πεδίου ενός αγωγού με ρεύμα και του μαγνητικού πεδίου αποτέλεσε τη βάση για την ηλεκτρομαγνητική δυναμική.
Η κατανόηση του προσανατολισμού στο χώρο των δυνάμεων στα αλληλεπιδρώντα πεδία επιτρέπει τον υπολογισμό των αξονικών διανυσμάτων:
- Μαγνητική επαγωγή,
- Μεγέθη και κατευθύνσεις του επαγωγικού ρεύματος,
- Γωνιακή ταχύτητα.
Αυτή η κατανόηση διατυπώθηκε στον κανόνα του βόρακα.
Συνδυάζοντας τη μεταφορική κίνηση του δεξιού borawlik με την κατεύθυνση του ρεύματος στον αγωγό, λαμβάνουμε την κατεύθυνση των γραμμών του μαγνητικού πεδίου όπως υποδεικνύεται από την περιστροφή του στροφάλου.
Χωρίς να αποτελεί νόμο της φυσικής, ο κανόνας του χαράκτη στην ηλεκτρολογία χρησιμοποιείται όχι μόνο για τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης των γραμμών του μαγνητικού πεδίου ανάλογα με το διάνυσμα του ρεύματος στον αγωγό, αλλά αντίθετα, για τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης του ρεύματος στα καλώδια του σωληνοειδούς λόγω της περιστροφής των γραμμών μαγνητικής επαγωγής.
Η κατανόηση αυτής της σχέσης επέτρεψε στον Αμπέρ να δικαιολογήσει το νόμο των περιστρεφόμενων πεδίων, ο οποίος οδήγησε στην ανάπτυξη ηλεκτρικών κινητήρων διαφόρων αρχών. Όλες οι επαγωγικές συσκευές που χρησιμοποιούν πηνία επαγωγής ακολουθούν τον κανόνα του βόρακα.
Ο κανόνας του δεξιού χεριού
Ο προσδιορισμός της κατεύθυνσης ενός ρεύματος που κινείται στο μαγνητικό πεδίο ενός αγωγού (μία πλευρά ενός κλειστού πηνίου αγωγών) αποδεικνύεται σαφώς από τον κανόνα του δεξιού χεριού.
Λέει ότι με τη δεξιά παλάμη στραμμένη προς τον πόλο Ν (τα καλώδια ρεύματος εισέρχονται στην παλάμη) και τον αντίχειρα στραμμένο κατά 90 μοίρες που δείχνει την κατεύθυνση του αγωγού, τότε σε έναν κλειστό βρόχο (πηνίο) το μαγνητικό πεδίο επάγει ηλεκτρικό ρεύμα, το διάνυσμα της κίνησης του οποίου υποδεικνύεται από τα τέσσερα δάχτυλα.
Αυτός ο κανόνας δείχνει πώς δημιουργήθηκαν αρχικά οι γεννήτριες συνεχούς ρεύματος. Κάποια δύναμη της φύσης (νερό, άνεμος) περιστρέφει έναν κλειστό βρόχο αγωγών σε ένα μαγνητικό πεδίο, παράγοντας ηλεκτρισμό. Στη συνέχεια, οι κινητήρες, έχοντας λάβει ηλεκτρικό ρεύμα σε σταθερό μαγνητικό πεδίο, το μετέτρεπαν σε μηχανική κίνηση.
Ο κανόνας του δεξιού χεριού ισχύει και στην περίπτωση των πηνίων επαγωγής. Η κίνηση ενός μαγνητικού πυρήνα στο εσωτερικό τους παράγει επαγωγικά ρεύματα.
Αν τα τέσσερα δάχτυλα του δεξιού χεριού ευθυγραμμιστούν με την κατεύθυνση του ρεύματος στα πηνία ενός πηνίου, τότε ο αντίχειρας, παραμορφωμένος κατά 90 μοίρες, θα δείχνει προς το βόρειο πόλο.
Οι κανόνες του βόρακα και ο κανόνας του δεξιού χεριού καταδεικνύουν με επιτυχία την αλληλεπίδραση των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων. Κάνουν την κατανόηση της λειτουργίας των διαφόρων συσκευών της ηλεκτρολογίας προσιτή σχεδόν σε όλους, όχι μόνο στους επιστήμονες.
Σχετικά άρθρα:
