Relația fluxului și fluxului magnetic

Din experiență se știe că în apropierea magneților permanenți, precum și în apropierea conductorilor purtători de curent, pot fi observate efecte fizice, cum ar fi impactul mecanic asupra altor magneți sau conductori purtători de curent, precum și apariția EMF în conductorii care se mișcă în anumite zone. spaţiu.

Starea neobișnuită a spațiului din apropierea magneților și conductoarelor purtătoare de curent se numește câmp magnetic, ale cărui caracteristici cantitative sunt ușor de determinat prin aceste fenomene: prin forța acțiunii mecanice sau prin inducția electromagnetică, de fapt, prin mărimea indusă într-un conductor în mișcare EMF.

Fenomenul de conducere a CEM în conductor (fenomen de inducție electromagnetică) apare în diferite condiții. Puteți muta un fir printr-un câmp magnetic uniform sau pur și simplu puteți schimba câmpul magnetic lângă un fir staționar. În ambele cazuri, modificarea câmpului magnetic în spațiu va induce un EMF în conductor.

Un dispozitiv experimental simplu pentru investigarea acestui fenomen este prezentat în figură. Aici inelul conductor (cupru) este conectat cu propriile fire cu un galvanometru balistic, prin devierea săgeții, pentru care se va putea estima cantitatea de sarcină electrică care trece prin acest circuit simplu. Mai întâi, centrați inelul într-un punct din spațiu lângă magnet (poziția a), apoi mutați inelul brusc (în poziția b). Galvanometrul va arăta valoarea sarcinii trecute prin circuit, Q.

Acum asezam inelul in alt punct, putin mai departe de magnet (in pozitia c), si din nou, cu aceeasi viteza, il mutam brusc in lateral (in pozitia d). Deformarea acului galvanometrului va fi mai mică decât la prima încercare. Și dacă creștem rezistența buclei R, de exemplu, înlocuind cuprul cu wolfram, apoi mișcând inelul în același mod, vom observa că galvanometrul va arăta o sarcină și mai mică, dar valoarea acestei sarcini se deplasează prin galvanometrul va fi în orice caz invers proporțional cu rezistența buclei.

Experimentul demonstrează clar că spațiul din jurul magnetului în orice punct are o anumită proprietate, ceva care afectează în mod direct cantitatea de sarcină care trece prin galvanometru atunci când îndepărtăm inelul de magnet. Să-i spunem ceva apropiat de un magnet, flux magnetic, și notăm valoarea sa cantitativă cu litera F. Observați dependența revelată a lui Ф ~ Q * R și Q ~ Ф / R.

Să complicăm experimentul. Vom fixa bucla de cupru într-un anumit punct opus magnetului, lângă acesta (în poziția d), dar acum vom schimba zona buclei (suprapunând o parte a acesteia cu un fir). Citirile galvanometrului vor fi proporționale cu modificarea zonei inelului (la poziția e).

Prin urmare, fluxul magnetic F de la magnetul nostru care acționează asupra buclei este proporțional cu aria buclei. Dar inducția magnetică B, legată de poziția inelului față de magnet, dar independentă de parametrii inelului, determină proprietatea câmpului magnetic în orice punct considerat al spațiului din apropierea magnetului.

Continuând experimentele cu un inel de cupru, vom schimba acum poziția planului inelului față de magnet în momentul inițial (poziția g) și apoi îl vom roti într-o poziție de-a lungul axei magnetului (poziția h).

Rețineți că, cu cât este mai mare modificarea unghiului dintre inel și magnet, cu atât mai multă sarcină Q curge prin circuit prin galvanometru.Aceasta înseamnă că fluxul magnetic prin inel este proporțional cu cosinusul unghiului dintre magnet și normalul. spre planul inelului.

Astfel, putem concluziona că inducție magnetică B — există o mărime vectorială, a cărei direcție într-un punct dat coincide cu direcția normalei la planul inelului în acea poziție când, atunci când inelul este îndepărtat brusc de magnet, sarcina Q trece de-a lungul circuitul este maxim.

În loc de un magnet în experiment puteți folosi bobina unui electromagnet, mutați această bobină sau schimbați curentul din ea, crescând sau micșorând astfel câmpul magnetic care pătrunde în bucla experimentală.

Zona pătrunsă de câmpul magnetic nu poate fi neapărat delimitată de o îndoire circulară, ea poate fi în principiu orice suprafață, fluxul magnetic prin care se determină apoi prin integrare:

Se pare că flux magnetic F Dacă fluxul vectorului de inducție magnetică B prin suprafața S.Și inducția magnetică B este densitatea fluxului magnetic F într-un punct dat al câmpului. Fluxul magnetic Ф se măsoară în unități de «Weber» — Wb. Inducția magnetică B se măsoară în unități de Tesla - Tesla.

Dacă întregul spațiu din jurul unui magnet permanent sau a unei bobine purtătoare de curent este examinat într-un mod similar, cu ajutorul unei bobine de galvanometru, atunci este posibil să se construiască în acest spațiu un număr infinit de așa-numitele „linii magnetice” - linii vectoriale inducție magnetică B — direcția tangentelor în fiecare punct al cărora va corespunde cu direcția vectorului de inducție magnetică B în aceste puncte ale spațiului studiat.

Prin împărțirea spațiului câmpului magnetic la tuburi imaginare cu o secțiune transversală unitară S = 1, se poate obține așa-numitul. Tuburi magnetice simple ale căror axe se numesc linii magnetice simple. Folosind această abordare, puteți reprezenta vizual o imagine cantitativă a câmpului magnetic și, în acest caz, fluxul magnetic va fi egal cu numărul de linii care trec prin suprafața selectată.

Liniile magnetice sunt continue, părăsesc Polul Nord și intră neapărat în Polul Sud, deci fluxul magnetic total prin orice suprafață închisă este zero. Matematic arata cam asa:

Să considerăm un câmp magnetic delimitat de suprafața unei bobine cilindrice. De fapt, este un flux magnetic care pătrunde în suprafața formată de spirele acestei bobine. În acest caz, suprafața totală poate fi împărțită în suprafețe separate pentru fiecare dintre spirele bobinei. Figura arată că suprafețele spirelor superioare și inferioare ale bobinei sunt străpunse de patru linii magnetice simple, iar suprafețele spirelor din mijlocul bobinei sunt străpunse de opt.

Pentru a găsi valoarea fluxului magnetic total prin toate spirele bobinei, este necesar să se însumeze fluxurile magnetice care pătrund pe suprafețele fiecăreia dintre spirele sale, adică fluxurile magnetice asociate cu spirele individuale ale bobinei:

Ф = Ф1 + Ф2 + Ф3 + Ф4 + Ф5 + Ф6 + Ф7 + Ф8 dacă sunt 8 spire în bobină.

Pentru exemplul de înfășurare simetrică prezentat în figura anterioară:

F ture de sus = 4 + 4 + 6 + 8 = 22;

F viraje inferioare = 4 + 4 + 6 + 8 = 22.

Ф total = Ф ture superioare + Ф ture inferioare = 44.

Aici este introdus conceptul de „conexiune de flux”. Conexiune de streaming Fluxul magnetic total asociat cu toate spirele bobinei, numeric egal cu suma fluxurilor magnetice asociate spirelor sale individuale:

Фm este fluxul magnetic creat de curent printr-o rotație a bobinei; wэ — numărul efectiv de spire în bobină;

Legătura de flux este o valoare virtuală deoarece în realitate nu există o sumă de fluxuri magnetice individuale, ci există un flux magnetic total. Cu toate acestea, atunci când distribuția reală a fluxului magnetic pe spirele bobinei este necunoscută, dar relația de flux este cunoscută, atunci bobina poate fi înlocuită cu una echivalentă prin calcularea numărului de spire identice echivalente necesare pentru a obține cantitatea necesară de flux magnetic.