Genel bilgi

Şaşırtıcı bir şekilde, bir kişinin fikirleri sonraki gelişimi etkileyebilir. insan toplumu genel olarak. Böyle bir kişi Michael Faraday'dı, çağdaş matematiğin inceliklerinde çok fazla bilgili değildi, ama mükemmel bir şekilde anlıyordu. fiziksel anlam O zamana kadar onun ortaya koyduğu alan etkileşimleri kavramı nedeniyle elektrik ve manyetizmanın doğası hakkında bilgi sahibi oldu.

Elektrik, manyetizma ve elektrodinamik kullanımına dayanan modern toplumun varlığını, olağanüstü bilim adamlarından oluşan bir galaksiye borçluyuz. Bunların arasında Ampère, Oersted, Henry, Gauss, Weber, Lorentz ve tabii ki Maxwell belirtilmelidir. Nihayetinde, elektrik ve manyetizma bilimini, yarattıkları ile modern bilgi toplumunun ortaya çıkması için ön koşulları yaratan bütün bir mucitler grubunun temeli olarak hizmet eden tek bir resme getirdiler.

Elektrik motorları ve jeneratörlerle çevrili yaşıyoruz: üretimde, nakliyede ve evde ilk yardımcılarımız onlar. Kendine saygısı olan hiçbir insan buzdolabı, elektrikli süpürge ve çamaşır makinesi olmadan varlığını hayal edemez. Bir mikrodalga fırın, bir saç kurutma makinesi, bir kahve değirmeni, bir mikser, bir blender ve - nihai rüya - bir elektrikli kıyma makinesi ve bir ekmek makinesi de bir önceliktir. Tabii ki, klima da çok faydalı bir şey, ancak satın almak için para yoksa, o zaman basit bir fan yeterli olacaktır.

Bazı erkekler için talepler biraz daha mütevazıdır: En beceriksiz adamın nihai hayali elektrikli bir matkaptır. Bazılarımız, kırk derecelik donmada başarısız bir şekilde bir araba çalıştırmaya çalışıyor ve marşa umutsuzca eziyet ediyor (ayrıca bir elektrik motoru), benzin sorunlarını sonsuza dek unutmak için gizlice elektrik motorlu ve pilli bir Tesla Motors arabası satın almayı hayal ediyoruz. ve dizel motorlar.

Elektrik motorları her yerdedir: bizi asansörlere alırlar, bizi metrolarda, trenlerde, tramvaylarda, troleybüslerde ve hızlı trenlerde taşırlar. Bize gökdelenlerin zeminlerine su getiriyorlar, çeşmeler işletiyorlar, madenlerden ve kuyulardan su pompalıyorlar, çelik rulolar, ağırlıklar kaldırıyorlar, çeşitli vinçlerde çalışıyorlar. Ve daha pek çok yararlı şey yaparlar, hareketli makine aletlerini, aletlerini ve mekanizmalarını devreye sokarlar.

Engelli insanlar ve ordu için dış iskeletler bile elektrik motorları kullanılarak yapılır, bütün bir endüstriyel ve araştırma robotları ordusundan bahsetmeye gerek yok.

Bugün, elektrik motorları uzayda çalışıyor - sadece Curiosity gezicisini düşünün. Karada, yeraltında, suda, su altında ve hatta havada çalışıyorlar - bugün değilse, yarın (Kasım 2015'te yazılan makale) Solar Impulse 2 uçağı nihayet dünya çapındaki yolculuğunu tamamlayacak ve insansız uçak elektrik motorlarında sayı yoktur. Sebepsiz değil, oldukça ciddi şirketler artık insansız hava araçları kullanarak posta dağıtım hizmetleri üzerinde çalışıyorlar.

Geçmiş referansı

1800 yılında İtalyan fizikçi Alessandro Volta tarafından inşa edilen, daha sonra mucit "Voltaik sütun" adını alan kimyasal pil, bilim adamları için gerçekten bir "bol boynuzu" haline geldi. İletkenlerde elektrik yüklerini harekete geçirmeyi, yani yaratmayı mümkün kıldı. elektrik. Voltaik sütunu kullanan yeni keşifler, sürekli olarak birbiri ardına takip edildi. çeşitli alanlar fizik ve kimya.

Örneğin, 1807'de İngiliz bilim adamı Sir Humphrey Davy, sodyum ve potasyum hidroksitlerin eriyiklerinin elektrolizini inceleyerek metalik sodyum ve potasyum elde etti. Daha önce, 1801'de, Ruslar onu Vasily Vladimirovich Petrov'un kaşifi olarak görse de, elektrik arkını da keşfetti. 1802'de Petrov, yalnızca arkın kendisini değil, aynı zamanda metallerin eritilmesi, kaynaklanması ve cevherlerden geri kazanılması ve aydınlatma amaçları için pratik uygulama olanaklarını da tanımladı.

Ama en önemli keşif Danimarkalı fizikçi Hans Christian Oersted şunları yaptı: 21 Nisan 1820'de bir derste yapılan deneylerin gösterimi sırasında, bir iletkenden tel şeklinde akan elektrik akımını açıp kapatırken manyetik pusula iğnesinin sapmasını fark etti. Böylece elektrik ve manyetizma arasındaki ilişki ilk kez doğrulandı.

Bir sonraki adım, Fransız fizikçi André Marie Ampère tarafından Oersted'in deneyini öğrendikten birkaç ay sonra atıldı. Bu bilim adamının Fransız Bilimler Akademisi'ne birbiri ardına gönderdiği mesajlarda ortaya koyduğu akıl yürütme şekli merak uyandırıcıdır. Ampère, ilk başta, akımı olan bir iletkende pusula iğnesinin dönüşünü gözlemleyerek, Dünya'nın manyetizmasının aynı zamanda Dünya'nın etrafında batıdan doğuya doğru akan akımlardan da kaynaklandığını öne sürdü. Bundan, bir cismin manyetik özelliklerinin, içindeki akımın dolaşımı ile açıklanabileceği sonucuna vardı. Ayrıca Ampère, herhangi bir cismin manyetik özelliklerinin, içindeki kapalı elektrik akımları tarafından belirlendiği ve manyetik etkileşimin özel manyetik yüklerden değil, sadece hareketten kaynaklandığı konusunda oldukça cesur bir sonuca vardı. elektrik ücretleri, yani akım.

Amper hemen devraldı Pilot çalışma Bu etkileşimin ve bir yönde akan akıma sahip iletkenlerin çekildiğini ve zıt yönde itildiklerini buldu. Karşılıklı olarak dik iletkenler birbirleriyle etkileşmezler.

Ampère'in kendi formülasyonunda keşfettiği yasayı alıntılamaktan kaçınmak zordur:

"Hareketli yüklerin etkileşim kuvveti, Coulomb yasasında olduğu gibi, bu yüklerin çarpımı ile, aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır, ancak dahası, bu yüklerin hızlarına ve yönüne de bağlıdır. onların hareketi."

Böylece fizikte hızlara bağlı temel kuvvetler keşfedildi.

Ancak elektrik ve manyetizma bilimindeki gerçek atılım, Michael Faraday'ın bu fenomeni keşfetmesiydi. elektromanyetik indüksiyon- değiştirirken kapalı bir devrede elektrik akımı oluşması manyetik akı içinden geçerek. Faraday'dan bağımsız olarak, elektromanyetik indüksiyon fenomeni, 1832'de kendi kendine indüksiyon fenomenini keşfeden Joseph Henry tarafından da keşfedildi.

Faraday tarafından 29 Ağustos 1831'de bir volta direği, bir anahtar, bir demir halkadan oluşan ve üzerine iki özdeş bakır tel bobininin karşıt taraflara sarıldığı icat ettiği bir kurulum üzerinde halka açık bir gösteri yapıldı. Bobinlerden biri bir anahtar aracılığıyla bir aküye, diğerinin uçlarına bir galvanometre bağlanmıştır. Akım açılıp kapatıldığında, galvanometre ikinci bobinde farklı yönlerde bir akımın görünümünü kaydetti.

Faraday'ın deneylerinde, bobine bir mıknatıs yerleştirildiğinde veya ölçüm devresine yüklenen bobinden çekildiğinde endüksiyon akımı adı verilen bir elektrik akımı da ortaya çıktı. Benzer şekilde, akım, önceki deneyden daha küçük akım taşıyan bobin daha büyük bobine takıldığında/içeri/dışarı çekildiğinde de ortaya çıktı. ve yön endüksiyon akımı mıknatısı takarken/çıkarırken ters çevrilir veya küçük bobin Rus bilim adamı Emil Khristianovich Lenz tarafından formüle edilen kurala göre akım ile. 1833'te.

Faraday, yapılan deneylere dayanarak bir yasa çıkardı. elektrik hareket gücü daha sonra onun adını almıştır.

Faraday'ın deneylerinin fikirleri ve sonuçları, başka bir büyük yurttaş - parlak İngiliz fizikçi ve matematikçi James Clerk Maxwell tarafından dört çalışmasında yeniden düşünüldü ve genelleştirildi. diferansiyel denklemler elektrodinamik, daha sonra Maxwell denklemleri olarak adlandırıldı.

Dört Maxwell denkleminden üçünde manyetik indüksiyonun bir manyetik alan vektörü şeklinde göründüğüne dikkat edilmelidir.

Manyetik indüksiyon. Tanım

Manyetik indüksiyon bir vektördür fiziksel miktar, hangisi güç karakteristiği uzayda belirli bir noktada manyetik alan (yüklü parçacıklar üzerindeki etkisi). Ne kadar güçlü olduğunu belirler F manyetik alan bir yüke etki eder q, hızla hareket etmek v. Latince bir harfle gösterilir AT(belirgin vektör B) ve kuvvet aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanır:

F = q [v∙B]

nerede F yük üzerindeki manyetik alan tarafından etki eden Lorentz kuvvetidir. q; v- şarj hareket hızı; B- manyetik alan indüksiyonu; [ v × B] - vektör ürün vektörler v ve B.

Cebirsel olarak ifade şu şekilde yazılabilir:

F = q∙v∙B sinα

nerede α - hız ve manyetik indüksiyon vektörleri arasındaki açı. vektör yönü F her ikisine de dik ve sol elin kuralına göre yönlendirilir.

Manyetik indüksiyon, elektrik alan kuvveti vektörüne benzer bir manyetik alanın temel temel özelliğidir.

AT uluslararası sistem SI birimleri, alanın manyetik indüksiyonu teslas (T), CGS sisteminde - gauss (Gs) cinsinden ölçülür.

1 T = 10⁴ Gs

Çeşitli uygulamalarda kullanılan diğer manyetik indüksiyon ölçüm miktarları ve bunların bir nicelikten diğerine dönüştürülmesi, fiziksel niceliklerin dönüştürücüsünde bulunabilir.

Manyetik indüksiyonun büyüklüğünü ölçmek için ölçüm aletlerine teslametreler veya gaussmetreler denir.

Manyetik alan indüksiyonu. fenomenlerin fiziği

Harici bir manyetik alana verilen reaksiyona bağlı olarak, tüm maddeler üç gruba ayrılır:

• Diamagnetler
• Paramagnetler
• ferromıknatıslar

Diamanyetizma ve paramanyetizma terimleri 1845'te Faraday tarafından tanıtıldı. İçin niceleme bu reaksiyonlar manyetik geçirgenlik kavramını ortaya çıkardı. Tanıtılan SI sisteminde mutlak H/m cinsinden ölçülen manyetik geçirgenlik ve akraba belirli bir ortamın geçirgenliğinin vakum geçirgenliğine oranına eşit boyutsuz manyetik geçirgenlik. Diamagnetler için, nispi manyetik geçirgenlik birlikten biraz daha azdır, paramagnetler için birlikten biraz daha büyüktür. Ferromıknatıslarda manyetik geçirgenlik birden fazladır ve doğrusal değildir.

fenomen diamanyetizma Bir maddenin, yönüne karşı mıknatıslanma nedeniyle harici bir manyetik alanın etkisine karşı koyma yeteneğinden oluşur. Yani, diamagnetler iter manyetik alan. Bu durumda, diamagnetin atomları, molekülleri veya iyonları, dış alana yönelik bir manyetik moment kazanır.

fenomen paramanyetizma bir maddenin harici bir manyetik alana maruz kaldığında manyetize olma yeteneğidir. Diamagnetlerden farklı olarak, paramagnetler bir manyetik alan tarafından çekilir. Bu durumda, paramagnetin atomları, molekülleri veya iyonları, dış manyetik alanın yönü ile çakışan yönde bir manyetik moment kazanır. Alan kaldırıldığında, paramagnetler manyetizasyonu korumaz.

fenomen ferromanyetizma bir maddenin harici bir manyetik alan yokluğunda kendiliğinden mıknatıslanma veya harici bir manyetik alanın etkisi altında mıknatıslanma ve alan kaldırıldığında mıknatıslanmayı koruma yeteneğidir. Bu durumda atomların, moleküllerin veya iyonların manyetik momentlerinin çoğu birbirine paraleldir. Bu düzen, Curie noktası olarak adlandırılan belirli bir kritik sıcaklığın altındaki sıcaklıklara kadar korunur. Belirli bir madde için Curie noktasının üzerindeki sıcaklıklarda ferromıknatıslar paramanyetlere dönüşür.

Süperiletkenlerin manyetik geçirgenliği sıfırdır.

Havanın mutlak manyetik geçirgenliği, vakumun manyetik geçirgenliğine yaklaşık olarak eşittir ve teknik hesaplamalarda 4π 10 ⁻⁷ H/m'ye eşit alınır.

Diamagnetlerde Manyetik Alan Davranışının Özellikleri

Yukarıda bahsedildiği gibi, diamanyetik malzemeler, harici bir manyetik alana karşı yönlendirilmiş bir indüklenmiş manyetik alan yaratır. Diamanyetizma, tüm maddelerin doğasında bulunan kuantum mekaniksel bir etkidir. Paramanyetlerde ve ferromıknatıslarda, diğer daha güçlü etkiler nedeniyle dengelenir.

Diamagnetler, örneğin, inert gazlar, nitrojen, hidrojen, silikon, fosfor ve pirolitik karbon gibi maddeleri; bazı metaller - bizmut, çinko, bakır, altın, gümüş. Su da dahil olmak üzere diğer birçok inorganik ve organik bileşik de diyamanyetiktir.

Homojen olmayan bir manyetik alanda, diamagnetler daha zayıf bir alana kaydırılır. Manyetik kuvvet hatları sanki diamanyetik malzemeler tarafından vücuttan dışarı itilmiş gibi. Diamagnetic levitasyon fenomeni bu özelliğe dayanmaktadır. Modern mıknatısların yarattığı yeterince güçlü bir manyetik alanda, sadece çeşitli diamagnetleri değil, aynı zamanda esas olarak sudan oluşan küçük canlıları da havaya kaldırmak mümkündür.

Hollanda'daki Niemingen Üniversitesi'nden bilim adamları, yaklaşık 16 T'lik bir manyetik indüksiyona sahip bir alanda bir kurbağayı havaya asmayı başardılar ve NASA laboratuvarından araştırmacılar, bir süper iletken mıknatıs kullanarak bir farenin havaya kaldırılması, biyolojik nesne, bir insana bir kurbağadan çok daha yakındır.

Tüm iletkenler, alternatif bir manyetik alana maruz kaldıklarında diamanyetizma sergilerler.

Olayın özü, alternatif bir manyetik alanın etkisi altında, iletkenlerde harici bir manyetik alanın etkisine karşı yönlendirilen girdap akımlarının - Foucault akımlarının - indüklenmesidir.

Paramagnetlerde manyetik alan davranışının özellikleri

Bir manyetik alanın paramanyetlerle etkileşimi tamamen farklıdır. Paramanyetik malzemelerin atomları, molekülleri veya iyonları kendi manyetik momentlerine sahip olduklarından, dış manyetik alan yönünde hizalanırlar. Bu, orijinal alandan daha büyük olan bir manyetik alan yaratır.

Paramagnetler, alüminyum, platin, alkali ve alkali toprak metalleri lityum, sezyum, sodyum, magnezyum, tungsten ve bu metallerin alaşımlarını içerir. Oksijen, nitrik oksit, manganez oksit, demir klorür ve diğer birçok kimyasal bileşik de paramanyetiktir.

Paramagnetler zayıf manyetik maddelerdir, manyetik geçirgenlikleri birlikten biraz fazladır. Homojen olmayan bir manyetik alanda, paramagnetler daha güçlü bir alan bölgesine çekilir. Bir manyetik alanın yokluğunda, paramanyetikler, termal hareket nedeniyle atomlarının, moleküllerinin veya iyonlarının içsel manyetik momentleri rastgele yönlendirildiğinden manyetizasyonu korumaz.

Ferromanyetlerde manyetik alan davranışının özellikleri

Kendiliğinden mıknatıslanma özelliğinden dolayı, ferromıknatıslar, eski çağlardan beri insanoğlunun bildiği doğal mıknatısları oluşturur. Büyülü özellikler mıknatıslara atfedildi, çeşitli dini ritüellerde ve hatta binaların yapımında kullanıldılar. Çinliler tarafından MÖ 2. veya 1. yüzyıllarda icat edilen pusulanın ilk prototipi, meraklı atalar tarafından Feng Shui kurallarına göre evler inşa etmek için kullanıldı. Pusulanın bir navigasyon aracı olarak kullanılması, Büyük İpek Yolu boyunca çölde seyahat etmek için 11. yüzyılın başlarında başladı. Daha sonra denizcilik işlerinde pusulanın kullanılması seyrüseferin gelişmesinde, yeni karaların keşfinde ve yeni deniz ticaret yollarının gelişmesinde önemli rol oynamıştır.

Ferromanyetizma, spinli elektronların kuantum mekaniksel özelliklerinin bir tezahürüdür, yani. kendi dipol manyetik momenti. Basitçe söylemek gerekirse, elektronlar küçük mıknatıslar gibi davranır. Tamamlanan her biri için elektron kabuğu bir atom sadece zıt spinli bir çift elektrona sahip olabilir, yani. bu tür elektronların manyetik alanı zıt yönlere yönlendirilir. Bu nedenle, eşleştirilmiş sayıda elektrona sahip atomların toplam manyetik momenti sıfıra eşittir, bu nedenle, yalnızca doldurulmamış bir dış kabuğu olan ve eşleşmemiş sayıda elektrona sahip atomlar ferromıknatıstır.

Ferromıknatıslar, geçiş gruplarının metallerini (demir, bakır, nikel) ve nadir toprak metallerini (gadolinyum, terbiyum, disprosyum, holmiyum ve erbiyum) ve bu metallerin alaşımlarını içerir. Yukarıdaki elementlerin ferromanyetik olmayan malzemelerle olan alaşımları da ferromanyetlerdir; aktinit grubunun bazı metallerinin yanı sıra ferromanyetik olmayan elementlere sahip krom ve manganez alaşımları ve bileşikleri.

Ferromıknatıslar, birlikten çok daha büyük bir manyetik geçirgenlik değerine sahiptir; harici bir manyetik alanın etkisi altında manyetizasyonlarının bağımlılığı doğrusal değildir ve histerezisin tezahürü ile karakterize edilirler - manyetik alanın etkisi kaldırılırsa, ferromanyetler manyetize kalır. Bu artık manyetizasyonu ortadan kaldırmak için bir ters alan uygulamak gerekir.

Stoletov eğrisi olarak adlandırılan bir ferromıknatısta manyetik geçirgenliğin μ manyetik alan kuvvetine H bağımlılığına ilişkin bir grafik, sıfır manyetik alan kuvveti H = 0'da manyetik geçirgenliğin küçük bir μ₀ değerine sahip olduğunu gösterir; daha sonra yoğunluk arttıkça, manyetik geçirgenlik hızla maksimum μmax'a yükselir, ardından yavaş yavaş sıfıra düşer.

Ferromanyetlerin özelliklerinin araştırılmasında öncü, Rus fizikçi ve kimyager Alexander Stoletov'du. Şimdi manyetik geçirgenliğin manyetik alanın gücüne bağımlılık eğrisi onun adını taşıyor.

Modern ferromanyetik malzemeler bilim ve teknolojide yaygın olarak kullanılmaktadır: birçok teknoloji ve cihaz, kullanımlarına ve manyetik indüksiyon olgusunun kullanımına dayanmaktadır. Örneğin, bilgisayar teknolojisinde: ilk nesil bilgisayarların bellekleri ferrit çekirdeklerdeydi, bilgiler manyetik bantlarda, disketlerde ve sabit sürücülerde saklanıyordu. Bununla birlikte, ikincisi hala bilgisayarlarda kullanılmaktadır ve yılda yüz milyonlarca parça halinde üretilmektedir.

Elektrik mühendisliği ve elektronikte manyetik indüksiyon kullanımı

AT modern dünya Manyetik alan indüksiyonunun, özellikle elektrik mühendisliğinde kullanımının birçok örneği vardır: elektrik jeneratörlerinde, voltaj transformatörlerinde, çeşitli cihazların, araçların ve mekanizmaların çeşitli elektromanyetik tahriklerinde, ölçüm teknolojisinde ve bilimde, iletkenlik için çeşitli fiziksel tesislerde. deneylerin yanı sıra elektrik koruması ve acil durum kapatma araçları.

Elektrik motorları, jeneratörler ve transformatörler

1824'te İngiliz fizikçi ve matematikçi Peter Barlow, modern elektrik motorlarının prototipi haline gelen icat ettiği tek kutuplu motoru tanımladı. doğru akım. Buluş ayrıca değerlidir çünkü elektromanyetik indüksiyon olgusunun keşfinden çok önce yapılmıştır.

Günümüzde hemen hemen tüm elektrik motorları, manyetik bir alanda akım taşıyan bir devreye etki ederek onun hareket etmesine neden olan Amper kuvvetini kullanır.

Faraday, manyetik indüksiyon fenomenini göstermek için 1831'de önemli bir kısmı şimdi toroidal transformatör olarak bilinen bir cihaz olan bir deney düzeneği yarattı. Faraday trafosunun çalışma prensibi, güç, tasarım ve kapsam ne olursa olsun, tüm modern gerilim ve akım trafolarında hala kullanılmaktadır.

Ayrıca Faraday, tüm DC jeneratörlerinin prototipi haline gelen kendi icat ettiği tek kutuplu DC jeneratörü kullanarak mekanik hareketi elektriğe dönüştürme olasılığını bilimsel olarak doğruladı ve deneysel olarak kanıtladı.

İlk jeneratör alternatif akım 1832 yılında Fransız mucit Hippolyte Pixie tarafından yaratılmıştır. Daha sonra, Amper'in önerisi üzerine, titreşimli bir doğru akım elde etmeyi mümkün kılan bir anahtarlama cihazı ile desteklendi.

Manyetik indüksiyon prensibini kullanan hemen hemen tüm elektrik jeneratörleri, değişen bir manyetik alanda olan kapalı bir devrede bir elektromotor kuvvetinin oluşmasına dayanır. Bu durumda, ya alternatif akım jeneratörlerinde manyetik rotor sabit stator bobinlerine göre döner ya da rotor sargıları DC jeneratörlerde sabit stator mıknatıslarına (boyunduruk) göre döner.

Çinli DongFang Electric şirketi tarafından 2013 yılında Taishan nükleer santrali için inşa edilen dünyanın en güçlü jeneratörü 1.750 MW'lık bir güç üretebilir.

Konvansiyonel tip jeneratörlere ve dönüşümle ilgili elektrik motorlarına ek olarak mekanik enerji içinde elektrik enerjisi ve tam tersi, manyetohidrodinamik jeneratörler ve farklı bir prensipte çalışan motorlar vardır.

Röleler ve elektromıknatıslar

Amerikalı bilim adamı J. Henry tarafından icat edilen elektromıknatıs, ilk elektrikli aktüatör ve tanıdık elektrikli zilin öncüsü oldu. Daha sonra, Henry temelde ikili bir duruma sahip ilk otomatik anahtarlama cihazı olan bir elektromanyetik röle yarattı.

Bir video stüdyosu sitesinde kullanılan Shure dinamik mikrofon

Uzun mesafelerde bir telgraf sinyali iletirken, daha fazla sinyal iletimi için ara istasyonların harici pillerinin bağlantısını değiştirerek DC amplifikatörleri olarak röleler kullanıldı.

Dinamik kafalar ve mikrofonlar

Modern ses teknolojisinde, ses frekansı akımının aktığı bir koniye bağlı hareketli bir bobinin sabit bir boşluktaki bir manyetik alanla etkileşimi nedeniyle ortaya çıkan ses, elektromanyetik hoparlörler yaygın olarak kullanılmaktadır. kalıcı mıknatıs. Sonuç olarak, bobin difüzör ile birlikte hareket eder ve ses dalgaları oluşturur.

Dinamik mikrofonlar, dinamik kafa ile aynı tasarımı kullanır, ancak mikrofonda, aksine, akustik bir sinyalin etkisi altında titreşen, sabit bir kalıcı mıknatısın boşluğunda mini difüzörlü hareketli bir bobin elektrik sinyali üretir. bir ses frekansının

Ölçüm aletleri ve sensörler

Modern dijitalin bolluğuna rağmen ölçü aletleri, ölçüm teknolojisinde manyetoelektrik, elektromanyetik, elektrodinamik, ferrodinamik ve indüksiyon tiplerindeki cihazlar hala kullanılmaktadır.

Yukarıdaki türlerin tüm sistemleri, manyetik alanların veya kalıcı bir mıknatısın, akımla bobin alanıyla veya akımla bobin alanlarıyla ferromanyetik bir çekirdekle veya akımla bobinlerin manyetik alanları ile etkileşim ilkesini kullanır.

Bu tür ölçüm sistemlerinin göreceli ataleti nedeniyle, değişkenlerin ortalama değerlerini ölçmek için uygulanabilirler.

Uluslararası birimler sistemindeki (SI) manyetik indüksiyon birimi ($\overline(B)$), radyo mühendisliği ve elektronik alanında başarılı bir şekilde çalışan Sırp bilim adamı N. Tesla'nın adını taşıyan tesla (T) olarak adlandırılır. .

Ampère yasasına dayanarak manyetik indüksiyonun ölçü birimini belirleyeceğiz. Geçerli bir $I$ taşıyan, $l$ uzunluğunda düz bir iletken düşünün. Bu iletken $\overline(B)$ düzgün bir manyetik alanda olsun ve alan indüksiyon vektörü iletkene dik olsun. Bu durumda, iletkene etki eden Amper kuvvetinin ($(\overline(F))_A$) modülü:

(1) formülünden manyetik indüksiyonu ifade ederiz, şunu elde ederiz:

(2) ifadesinden, bir tesla'nın (bir manyetik indüksiyon birimi), $\overline('e dik bir manyetik alan içinde yer alan düz bir iletkenin her metresine etki eden düzgün bir manyetik alanın manyetik indüksiyonuna karşılık gelen bir değer olduğunu görüyoruz. B)$ yönü, bir Newton'da bir kuvvetle, iletkende bir amperlik bir akım kuvveti ile:

\[\left=Tl=\frac(H)(A\cdot m).\]

Manyetik indüksiyon birimi (tesla) sistemdeki bir türevdir. Uluslararası birimler(Sİ). Temel SI birimleri aracılığıyla, Tl, manyetik indüksiyon ölçüm birimi olarak şu şekilde ifade edilir:

\[H=\frac(kg\cdot m)(s^2),\]

sonra şunu elde ederiz:

\[\left=Tl=\frac(kg\cdot m)(c^2)\cdot \frac(1)(A\cdot m)=\frac(kg)(A\cdot c^2).\]

Standart SI önekleri, ondalık katlar ve alt katlar için T ile birlikte kullanılabilir. Örneğin, $kTl$ (kilo tesla), $1kTl=1000Tl$; nT (nano tesla), $1nT=(10)^(-9)T.$

1 T, oldukça büyük bir manyetik indüksiyon değeridir, özellikle Konuşuyoruz sabit bir manyetik alan hakkında. İnsan bugün 100.75 Tesla'lık kalıcı bir manyetik alan yaratmayı başardı. İnsanlar tarafından yapay olarak yaratılan darbeli manyetik alan $2.8\cdot (10)^3T$ endüksiyon değerine ulaştı. Dünyanın manyetik alanı, gezegendeki konuma bağlı olarak önemli ölçüde farklılık gösterebilir, yaklaşık olarak $\yaklaşık 10 µT'dir.

Gauss - cgs birim sisteminde manyetik indüksiyon ölçüm birimi

CGS birim sisteminde (santimetre, gram, saniye), manyetik indüksiyon için ölçüm birimi gauss'tur (Gs). Gauss ve tesla arasındaki ilişki:

Bu ölçü birimi, Alman bilim adamı K.F. Gauss.

CGS sisteminin temel birimlerini kullanarak, manyetik indüksiyon ölçüm birimi şu şekilde ifade edilir:

\[\left=\frac(\sqrt(gr))(c\cdot \sqrt(cm)).\]

Çözümlü problem örnekleri

örnek 1

Egzersiz yapmak. Manyetik akı ($Ф$) ile ilgili formülü kullanarak manyetik indüksiyon için Uluslararası Birimler Sistemi birimini alın.

Çözüm. Problemin durumuna göre, çözümün temeli olarak şu ifadeyi kullanırız:

\[Ф=BS(\cos \alpha \ )\ \left(1.1\sağ),\]

burada $\ F$ manyetik indüksiyon vektörünün S alanı boyunca akışıdır; $\ S$, alanın alanının boyutudur; $\alpha $ - S alanına normalin yönü ile manyetik indüksiyon vektörünün yönü arasındaki açı. Manyetik indüksiyon vektörünün modülünü formül (1.1) ile ifade ediyoruz, elimizde:

$(\cos \alpha \ )$ SI sisteminde boyutsuz bir nicelik olduğu dikkate alındığında, manyetik indüksiyon vektörünün akısı weber (Wb) cinsinden ölçülür:

\[\left[F\sağ]=Wb=\frac(kg\cdot m^2)(A\cdot c^2),\]

ve alan birimleri:

\[\sol=m^2,\]

\[\left=\frac(Wb)(m^2)=\frac(kg\cdot m^2)(A\cdot c^2)\cdot \frac(1)(m^2)=\frac( kg) (A \ cdot c ^ 2) \u003d Tl. \]

Cevap. Tesla'nın bir manyetik indüksiyon ölçüm birimi olduğunu anladık ve şu şekilde ifade edilebilir: $Тl=\frac(Wb)(m^2)$

Örnek 2

Egzersiz yapmak. Akımlı dairesel bir bobinin $\overline(B)$ modülü formülünü kullanarak manyetik alan indüksiyonunun boyutunu belirleyin.

Çözüm. Akım ile dairesel bobinin merkezindeki manyetik indüksiyon vektörünün değerini bulalım (Şekil 1).

Mevcut $I$ ile bobinin merkezindeki manyetik indüksiyon vektörünün modülünü hesaplamak için bir formül elde ediyoruz, bobinin yarıçapının R olduğunu, bobinin vakumda olduğunu varsayıyoruz. Dairesel akımın ($dl$) bir temel segmentini seçelim (bkz. Şekil 1). Seçilen $dl$ öğesinden O noktasındaki indüksiyonun değeri (Biot-Savart-Laplace yasasından):

Bizim durumumuz için, $dl$'ın tüm elemanları, onları alanı aradığımız noktaya bağlayan karşılık gelen yarıçap vektörlerine diktir, bu da $(\sin \alpha \ )=1.$ anlamına gelir. Ayrıca, tüm segmentler için $r=R.$ ifadesi (2.1) şu şekle dönüştürülür:

Dairesel akımın tüm elemanları, X ekseni boyunca yönlendirilmiş bir vektör oluşturacaktır (Şekil 1). Toplam alanı bulmak için integrale geçiyoruz:

(2.3) ifadesinin sağ tarafının ölçü birimlerini düşünün, elimizde:

\[\left=\left[\frac((\mu )_0I)(2R)\sağ]=\frac(\left[(\mu )_0\sağ]\sol)(\left)=\frac(\ sol[\frac(H)(A^2)\sağ]\sol[A\sağ])(\left[m\sağ])=\frac(H)(A\cdot m)=\frac(kg\ cdot m)(c^2\cdot A\cdot m)=\frac(kg)(c^2\cdot A)=Tl.\]

Cevap. Tesla'nın şu şekilde ifade edilebileceğini anladık: $Tl=\frac(H)(A\cdot m)$

Genel bilgi

Şaşırtıcı bir şekilde, bir kişinin fikirleri, bir bütün olarak insan toplumunun sonraki gelişimini etkileyebilir. Böyle bir kişi, çağdaş matematiğin inceliklerine pek hakim olmayan, ancak ortaya koyduğu alan etkileşimleri kavramı sayesinde o zamanlar bilinen elektriğin ve manyetizmanın doğası hakkındaki bilgilerin fiziksel anlamını mükemmel bir şekilde anlayan Michael Faraday'dı. .

Elektrik, manyetizma ve elektrodinamik kullanımına dayanan modern toplumun varlığını, olağanüstü bilim adamlarından oluşan bir galaksiye borçluyuz. Bunların arasında Ampère, Oersted, Henry, Gauss, Weber, Lorentz ve tabii ki Maxwell belirtilmelidir. Nihayetinde, elektrik ve manyetizma bilimini, yarattıkları ile modern bilgi toplumunun ortaya çıkması için ön koşulları yaratan bütün bir mucitler grubunun temeli olarak hizmet eden tek bir resme getirdiler.

Elektrik motorları ve jeneratörlerle çevrili yaşıyoruz: üretimde, nakliyede ve evde ilk yardımcılarımız onlar. Kendine saygısı olan hiçbir insan buzdolabı, elektrikli süpürge ve çamaşır makinesi olmadan varlığını hayal edemez. Bir mikrodalga fırın, bir saç kurutma makinesi, bir kahve değirmeni, bir mikser, bir blender ve - nihai rüya - bir elektrikli kıyma makinesi ve bir ekmek makinesi de bir önceliktir. Tabii ki, klima da çok faydalı bir şey, ancak satın almak için para yoksa, o zaman basit bir fan yeterli olacaktır.

Bazı erkekler için talepler biraz daha mütevazıdır: En beceriksiz adamın nihai hayali elektrikli bir matkaptır. Bazılarımız, kırk derecelik donmada başarısız bir şekilde bir araba çalıştırmaya çalışıyor ve marşa umutsuzca eziyet ediyor (ayrıca bir elektrik motoru), benzin sorunlarını sonsuza dek unutmak için gizlice elektrik motorlu ve pilli bir Tesla Motors arabası satın almayı hayal ediyoruz. ve dizel motorlar.

Elektrik motorları her yerdedir: bizi asansörlere alırlar, bizi metrolarda, trenlerde, tramvaylarda, troleybüslerde ve hızlı trenlerde taşırlar. Bize gökdelenlerin zeminlerine su getiriyorlar, çeşmeler işletiyorlar, madenlerden ve kuyulardan su pompalıyorlar, çelik rulolar, ağırlıklar kaldırıyorlar, çeşitli vinçlerde çalışıyorlar. Ve daha pek çok yararlı şey yaparlar, hareketli makine aletlerini, aletlerini ve mekanizmalarını devreye sokarlar.

Engelli insanlar ve ordu için dış iskeletler bile elektrik motorları kullanılarak yapılır, bütün bir endüstriyel ve araştırma robotları ordusundan bahsetmeye gerek yok.

Bugün, elektrik motorları uzayda çalışıyor - sadece Curiosity gezicisini düşünün. Karada, yeraltında, suda, su altında ve hatta havada çalışıyorlar - bugün değilse, yarın (Kasım 2015'te yazılan makale) Solar Impulse 2 uçağı nihayet dünya çapındaki gezisini ve insansız hava aracını tamamlayacak. elektrik motorlu araçlarda sayı yoktur. Sebepsiz değil, oldukça ciddi şirketler artık insansız hava araçları kullanarak posta dağıtım hizmetleri üzerinde çalışıyorlar.

Geçmiş referansı

1800 yılında İtalyan fizikçi Alessandro Volta tarafından inşa edilen, daha sonra mucit "Voltaik sütun" adını alan kimyasal pil, bilim adamları için gerçekten bir "bol boynuzu" haline geldi. İletkenlerde elektrik yüklerini harekete geçirmeye, yani bir elektrik akımı yaratmaya izin verdi. Voltaik sütunu kullanan yeni keşifler, fizik ve kimyanın çeşitli alanlarında birbiri ardına geldi.

Örneğin, 1807'de İngiliz bilim adamı Sir Humphrey Davy, sodyum ve potasyum hidroksitlerin eriyiklerinin elektrolizini inceleyerek metalik sodyum ve potasyum elde etti. Daha önce, 1801'de, Ruslar onu Vasily Vladimirovich Petrov'un kaşifi olarak görse de, elektrik arkını da keşfetti. 1802'de Petrov, yalnızca arkın kendisini değil, aynı zamanda metallerin eritilmesi, kaynaklanması ve cevherlerden geri kazanılması ve aydınlatma amaçları için pratik uygulama olanaklarını da tanımladı.

Ancak en önemli keşif Danimarkalı fizikçi Hans Christian Oersted tarafından yapıldı: 21 Nisan 1820'de bir derste yapılan deneylerin gösterimi sırasında, akan elektrik akımını açıp kapatırken manyetik pusula iğnesinin sapmasını fark etti. bir tel şeklinde iletken. Böylece elektrik ve manyetizma arasındaki ilişki ilk kez doğrulandı.

Bir sonraki adım, Fransız fizikçi André Marie Ampère tarafından Oersted'in deneyini öğrendikten birkaç ay sonra atıldı. Bu bilim adamının Fransız Bilimler Akademisi'ne birbiri ardına gönderdiği mesajlarda ortaya koyduğu akıl yürütme şekli merak uyandırıcıdır. Ampère, ilk başta, akımı olan bir iletkende pusula iğnesinin dönüşünü gözlemleyerek, Dünya'nın manyetizmasının aynı zamanda Dünya'nın etrafında batıdan doğuya doğru akan akımlardan da kaynaklandığını öne sürdü. Bundan, bir cismin manyetik özelliklerinin, içindeki akımın dolaşımı ile açıklanabileceği sonucuna vardı. Ayrıca Ampère, herhangi bir cismin manyetik özelliklerinin, içindeki kapalı elektrik akımları tarafından belirlendiği ve manyetik etkileşimin özel manyetik yüklerden değil, sadece elektrik yüklerinin hareketinden, yani akımdan kaynaklandığı konusunda oldukça cesur bir sonuca vardı.

Ampère hemen bu etkileşimin deneysel bir çalışmasına başladı ve bir yönde akan akıma sahip iletkenlerin zıt yönde çektiğini ve ittiğini buldu. Karşılıklı olarak dik iletkenler birbirleriyle etkileşmezler.

Ampère'in kendi formülasyonunda keşfettiği yasayı alıntılamaktan kaçınmak zordur:

"Hareketli yüklerin etkileşim kuvveti, Coulomb yasasında olduğu gibi, bu yüklerin çarpımı ile, aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır, ancak dahası, bu yüklerin hızlarına ve yönüne de bağlıdır. onların hareketi."

Böylece fizikte hızlara bağlı temel kuvvetler keşfedildi.

Ancak elektrik ve manyetizma biliminde gerçek bir atılım, Michael Faraday tarafından elektromanyetik indüksiyon fenomeninin keşfiydi - içinden geçen manyetik akı değiştiğinde kapalı bir devrede bir elektrik akımının ortaya çıkması. Faraday'dan bağımsız olarak, elektromanyetik indüksiyon fenomeni, 1832'de kendi kendine indüksiyon fenomenini keşfeden Joseph Henry tarafından da keşfedildi.

Faraday tarafından 29 Ağustos 1831'de bir volta direği, bir anahtar, bir demir halkadan oluşan ve üzerine iki özdeş bakır tel bobininin karşıt taraflara sarıldığı icat ettiği bir kurulum üzerinde halka açık bir gösteri yapıldı. Bobinlerden biri bir anahtar aracılığıyla bir aküye, diğerinin uçlarına bir galvanometre bağlanmıştır. Akım açılıp kapatıldığında, galvanometre ikinci bobinde farklı yönlerde bir akımın görünümünü kaydetti.

Faraday'ın deneylerinde, bobine bir mıknatıs yerleştirildiğinde veya ölçüm devresine yüklenen bobinden çekildiğinde endüksiyon akımı adı verilen bir elektrik akımı da ortaya çıktı. Benzer şekilde, akım, önceki deneyden daha küçük akım taşıyan bobin daha büyük bobine takıldığında/içeri/dışarı çekildiğinde de ortaya çıktı. Ayrıca, Rus bilim adamı Emil Khristianovich Lenz tarafından formüle edilen kurala göre bir mıknatıs veya akımlı küçük bir bobin yerleştirildiğinde / uzatıldığında endüksiyon akımının yönü tersine değişti. 1833'te.

Faraday, yapılan deneylere dayanarak, daha sonra kendi adını alacak olan elektromotor kuvvet yasasını çıkardı.

Faraday'ın deneylerinin fikirleri ve sonuçları, başka bir büyük yurttaş - parlak İngiliz fizikçi ve matematikçi James Clerk Maxwell - tarafından daha sonra Maxwell denklemleri olarak adlandırılan dört diferansiyel elektrodinamik denkleminde yeniden düşünüldü ve genelleştirildi.

Dört Maxwell denkleminden üçünde manyetik indüksiyonun bir manyetik alan vektörü şeklinde göründüğüne dikkat edilmelidir.

Manyetik indüksiyon. Tanım

Manyetik indüksiyon, uzayda belirli bir noktada bir manyetik alanın (yüklü parçacıklar üzerindeki etkisi) bir kuvvet özelliği olan bir vektör fiziksel niceliğidir. Ne kadar güçlü olduğunu belirler F manyetik alan bir yüke etki eder q, hızla hareket etmek v. Latince bir harfle gösterilir AT(belirgin vektör B) ve kuvvet aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanır:

F = q [v∙B]

nerede F yük üzerindeki manyetik alan tarafından etki eden Lorentz kuvvetidir. q; v- şarj hareket hızı; B- manyetik alan indüksiyonu; [ v × B] - vektörlerin çapraz çarpımı v ve B.

Cebirsel olarak ifade şu şekilde yazılabilir:

F = q∙v∙B sinα

nerede α - hız ve manyetik indüksiyon vektörleri arasındaki açı. vektör yönü F her ikisine de dik ve sol elin kuralına göre yönlendirilir.

Manyetik indüksiyon, elektrik alan kuvveti vektörüne benzer bir manyetik alanın temel temel özelliğidir.

Uluslararası SI Birimler Sisteminde, alanın manyetik indüksiyonu teslas (T), CGS sisteminde - gauss (Gs) cinsinden ölçülür.

1 T = 10⁴ Gs

Çeşitli uygulamalarda kullanılan diğer manyetik indüksiyon ölçüm miktarları ve bunların bir nicelikten diğerine dönüştürülmesi, fiziksel niceliklerin dönüştürücüsünde bulunabilir.

Manyetik indüksiyonun büyüklüğünü ölçmek için ölçüm aletlerine teslametreler veya gaussmetreler denir.

Manyetik alan indüksiyonu. fenomenlerin fiziği

Harici bir manyetik alana verilen reaksiyona bağlı olarak, tüm maddeler üç gruba ayrılır:

• Diamagnetler
• Paramagnetler
• ferromıknatıslar

Diamanyetizma ve paramanyetizma terimleri 1845'te Faraday tarafından tanıtıldı. Bu reaksiyonları ölçmek için manyetik geçirgenlik kavramı tanıtıldı. Tanıtılan SI sisteminde mutlak H/m cinsinden ölçülen manyetik geçirgenlik ve akraba belirli bir ortamın geçirgenliğinin vakum geçirgenliğine oranına eşit boyutsuz manyetik geçirgenlik. Diamagnetler için, nispi manyetik geçirgenlik birlikten biraz daha azdır, paramagnetler için birlikten biraz daha büyüktür. Ferromıknatıslarda manyetik geçirgenlik birden fazladır ve doğrusal değildir.

fenomen diamanyetizma Bir maddenin, yönüne karşı mıknatıslanma nedeniyle harici bir manyetik alanın etkisine karşı koyma yeteneğinden oluşur. Yani, diamagnetler bir manyetik alan tarafından itilir. Bu durumda, diamagnetin atomları, molekülleri veya iyonları, dış alana yönelik bir manyetik moment kazanır.

fenomen paramanyetizma bir maddenin harici bir manyetik alana maruz kaldığında manyetize olma yeteneğidir. Diamagnetlerden farklı olarak, paramagnetler bir manyetik alan tarafından çekilir. Bu durumda, paramagnetin atomları, molekülleri veya iyonları, dış manyetik alanın yönü ile çakışan yönde bir manyetik moment kazanır. Alan kaldırıldığında, paramagnetler manyetizasyonu korumaz.

fenomen ferromanyetizma bir maddenin harici bir manyetik alan yokluğunda kendiliğinden mıknatıslanma veya harici bir manyetik alanın etkisi altında mıknatıslanma ve alan kaldırıldığında mıknatıslanmayı koruma yeteneğidir. Bu durumda atomların, moleküllerin veya iyonların manyetik momentlerinin çoğu birbirine paraleldir. Bu düzen, Curie noktası olarak adlandırılan belirli bir kritik sıcaklığın altındaki sıcaklıklara kadar korunur. Belirli bir madde için Curie noktasının üzerindeki sıcaklıklarda ferromıknatıslar paramanyetlere dönüşür.

Süperiletkenlerin manyetik geçirgenliği sıfırdır.

Havanın mutlak manyetik geçirgenliği, vakumun manyetik geçirgenliğine yaklaşık olarak eşittir ve teknik hesaplamalarda 4π 10 ⁻⁷ H/m'ye eşit alınır.

Diamagnetlerde Manyetik Alan Davranışının Özellikleri

Yukarıda bahsedildiği gibi, diamanyetik malzemeler, harici bir manyetik alana karşı yönlendirilmiş bir indüklenmiş manyetik alan yaratır. Diamanyetizma, tüm maddelerin doğasında bulunan kuantum mekaniksel bir etkidir. Paramanyetlerde ve ferromıknatıslarda, diğer daha güçlü etkiler nedeniyle dengelenir.

Diamagnetler, örneğin, inert gazlar, nitrojen, hidrojen, silikon, fosfor ve pirolitik karbon gibi maddeleri; bazı metaller - bizmut, çinko, bakır, altın, gümüş. Su da dahil olmak üzere diğer birçok inorganik ve organik bileşik de diyamanyetiktir.

Homojen olmayan bir manyetik alanda, diamagnetler daha zayıf bir alana kaydırılır. Manyetik kuvvet çizgileri, adeta diamanyetik malzemeler tarafından vücuttan dışarı itilir. Diamagnetic levitasyon fenomeni bu özelliğe dayanmaktadır. Modern mıknatısların yarattığı yeterince güçlü bir manyetik alanda, sadece çeşitli diamagnetleri değil, aynı zamanda esas olarak sudan oluşan küçük canlıları da havaya kaldırmak mümkündür.

Hollanda'daki Niemingen Üniversitesi'nden bilim adamları, yaklaşık 16 T'lik bir manyetik indüksiyona sahip bir alanda bir kurbağayı havaya asmayı başardılar ve NASA laboratuvarından araştırmacılar, bir süper iletken mıknatıs kullanarak bir farenin havaya kaldırılması, biyolojik nesne, bir insana bir kurbağadan çok daha yakındır.

Tüm iletkenler, alternatif bir manyetik alana maruz kaldıklarında diamanyetizma sergilerler.

Olayın özü, alternatif bir manyetik alanın etkisi altında, iletkenlerde harici bir manyetik alanın etkisine karşı yönlendirilen girdap akımlarının - Foucault akımlarının - indüklenmesidir.

Paramagnetlerde manyetik alan davranışının özellikleri

Bir manyetik alanın paramanyetlerle etkileşimi tamamen farklıdır. Paramanyetik malzemelerin atomları, molekülleri veya iyonları kendi manyetik momentlerine sahip olduklarından, dış manyetik alan yönünde hizalanırlar. Bu, orijinal alandan daha büyük olan bir manyetik alan yaratır.

Paramagnetler, alüminyum, platin, alkali ve alkali toprak metalleri lityum, sezyum, sodyum, magnezyum, tungsten ve bu metallerin alaşımlarını içerir. Oksijen, nitrik oksit, manganez oksit, demir klorür ve diğer birçok kimyasal bileşik de paramanyetiktir.

Paramagnetler zayıf manyetik maddelerdir, manyetik geçirgenlikleri birlikten biraz fazladır. Homojen olmayan bir manyetik alanda, paramagnetler daha güçlü bir alan bölgesine çekilir. Bir manyetik alanın yokluğunda, paramanyetikler, termal hareket nedeniyle atomlarının, moleküllerinin veya iyonlarının içsel manyetik momentleri rastgele yönlendirildiğinden manyetizasyonu korumaz.

Ferromanyetlerde manyetik alan davranışının özellikleri

Kendiliğinden mıknatıslanma özelliğinden dolayı, ferromıknatıslar, eski çağlardan beri insanoğlunun bildiği doğal mıknatısları oluşturur. Büyülü özellikler mıknatıslara atfedildi, çeşitli dini ritüellerde ve hatta binaların yapımında kullanıldılar. Çinliler tarafından MÖ 2. veya 1. yüzyıllarda icat edilen pusulanın ilk prototipi, meraklı atalar tarafından Feng Shui kurallarına göre evler inşa etmek için kullanıldı. Pusulanın bir navigasyon aracı olarak kullanılması, Büyük İpek Yolu boyunca çölde seyahat etmek için 11. yüzyılın başlarında başladı. Daha sonra denizcilik işlerinde pusulanın kullanılması seyrüseferin gelişmesinde, yeni karaların keşfinde ve yeni deniz ticaret yollarının gelişmesinde önemli rol oynamıştır.

Ferromanyetizma, spinli elektronların kuantum mekaniksel özelliklerinin bir tezahürüdür, yani. kendi dipol manyetik momenti. Basitçe söylemek gerekirse, elektronlar küçük mıknatıslar gibi davranır. Bir atomun her bir dolu elektron kabuğu, yalnızca zıt dönüşlü bir çift elektron içerebilir, yani. bu tür elektronların manyetik alanı zıt yönlere yönlendirilir. Bu nedenle, eşleştirilmiş sayıda elektrona sahip atomların toplam manyetik momenti sıfıra eşittir, bu nedenle, yalnızca doldurulmamış bir dış kabuğu olan ve eşleşmemiş sayıda elektrona sahip atomlar ferromıknatıstır.

Ferromıknatıslar, geçiş gruplarının metallerini (demir, bakır, nikel) ve nadir toprak metallerini (gadolinyum, terbiyum, disprosyum, holmiyum ve erbiyum) ve bu metallerin alaşımlarını içerir. Yukarıdaki elementlerin ferromanyetik olmayan malzemelerle olan alaşımları da ferromanyetlerdir; aktinit grubunun bazı metallerinin yanı sıra ferromanyetik olmayan elementlere sahip krom ve manganez alaşımları ve bileşikleri.

Ferromıknatıslar, birlikten çok daha büyük bir manyetik geçirgenlik değerine sahiptir; harici bir manyetik alanın etkisi altında manyetizasyonlarının bağımlılığı doğrusal değildir ve histerezisin tezahürü ile karakterize edilirler - manyetik alanın etkisi kaldırılırsa, ferromanyetler manyetize kalır. Bu artık manyetizasyonu ortadan kaldırmak için bir ters alan uygulamak gerekir.

Stoletov eğrisi olarak adlandırılan bir ferromıknatısta manyetik geçirgenliğin μ manyetik alan kuvvetine H bağımlılığına ilişkin bir grafik, sıfır manyetik alan kuvveti H = 0'da manyetik geçirgenliğin küçük bir μ₀ değerine sahip olduğunu gösterir; daha sonra yoğunluk arttıkça, manyetik geçirgenlik hızla maksimum μmax'a yükselir, ardından yavaş yavaş sıfıra düşer.

Ferromanyetlerin özelliklerinin araştırılmasında öncü, Rus fizikçi ve kimyager Alexander Stoletov'du. Şimdi manyetik geçirgenliğin manyetik alanın gücüne bağımlılık eğrisi onun adını taşıyor.

Modern ferromanyetik malzemeler bilim ve teknolojide yaygın olarak kullanılmaktadır: birçok teknoloji ve cihaz, kullanımlarına ve manyetik indüksiyon olgusunun kullanımına dayanmaktadır. Örneğin, bilgisayar teknolojisinde: ilk nesil bilgisayarların bellekleri ferrit çekirdeklerdeydi, bilgiler manyetik bantlarda, disketlerde ve sabit sürücülerde saklanıyordu. Bununla birlikte, ikincisi hala bilgisayarlarda kullanılmaktadır ve yılda yüz milyonlarca parça halinde üretilmektedir.

Elektrik mühendisliği ve elektronikte manyetik indüksiyon kullanımı

Modern dünyada, başta elektrik mühendisliği olmak üzere manyetik alan indüksiyonunun kullanımının birçok örneği vardır: elektrik jeneratörlerinde, voltaj transformatörlerinde, çeşitli cihazların, araçların ve mekanizmaların çeşitli elektromanyetik tahriklerinde, ölçüm teknolojisinde ve bilimde, deneyler için çeşitli fiziksel kurulumların yanı sıra elektriksel koruma ve acil durum kapatma araçlarında.

Elektrik motorları, jeneratörler ve transformatörler

1824'te İngiliz fizikçi ve matematikçi Peter Barlow, modern DC elektrik motorlarının prototipi haline gelen icat ettiği tek kutuplu motoru tanımladı. Buluş ayrıca değerlidir çünkü elektromanyetik indüksiyon olgusunun keşfinden çok önce yapılmıştır.

Günümüzde hemen hemen tüm elektrik motorları, manyetik bir alanda akım taşıyan bir devreye etki ederek onun hareket etmesine neden olan Amper kuvvetini kullanır.

Faraday, manyetik indüksiyon fenomenini göstermek için 1831'de önemli bir kısmı şimdi toroidal transformatör olarak bilinen bir cihaz olan bir deney düzeneği yarattı. Faraday trafosunun çalışma prensibi, güç, tasarım ve kapsam ne olursa olsun, tüm modern gerilim ve akım trafolarında hala kullanılmaktadır.

Ayrıca Faraday, tüm DC jeneratörlerinin prototipi haline gelen kendi icat ettiği tek kutuplu DC jeneratörü kullanarak mekanik hareketi elektriğe dönüştürme olasılığını bilimsel olarak doğruladı ve deneysel olarak kanıtladı.

İlk alternatif akım jeneratörü, 1832'de Fransız mucit Hippolyte Pixie tarafından yaratıldı. Daha sonra, Amper'in önerisi üzerine, titreşimli bir doğru akım elde etmeyi mümkün kılan bir anahtarlama cihazı ile desteklendi.

Manyetik indüksiyon prensibini kullanan hemen hemen tüm elektrik jeneratörleri, değişen bir manyetik alanda olan kapalı bir devrede bir elektromotor kuvvetinin oluşmasına dayanır. Bu durumda, ya alternatif akım jeneratörlerinde manyetik rotor sabit stator bobinlerine göre döner ya da rotor sargıları DC jeneratörlerde sabit stator mıknatıslarına (boyunduruk) göre döner.

Çinli DongFang Electric şirketi tarafından 2013 yılında Taishan nükleer santrali için inşa edilen dünyanın en güçlü jeneratörü 1.750 MW'lık bir güç üretebilir.

Mekanik enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi ve bunun tersi ile ilişkili geleneksel tipteki jeneratörlere ve elektrik motorlarına ek olarak, manyetohidrodinamik jeneratörler ve farklı bir prensipte çalışan motorlar vardır.

Röleler ve elektromıknatıslar

Amerikalı bilim adamı J. Henry tarafından icat edilen elektromıknatıs, ilk elektrikli aktüatör ve tanıdık elektrikli zilin öncüsü oldu. Daha sonra, Henry temelde ikili bir duruma sahip ilk otomatik anahtarlama cihazı olan bir elektromanyetik röle yarattı.

Bir video stüdyosu sitesinde kullanılan Shure dinamik mikrofon

Uzun mesafelerde bir telgraf sinyali iletirken, daha fazla sinyal iletimi için ara istasyonların harici pillerinin bağlantısını değiştirerek DC amplifikatörleri olarak röleler kullanıldı.

Dinamik kafalar ve mikrofonlar

Modern ses teknolojisinde, elektromanyetik hoparlörler, bir ses frekansı akımının aktığı bir koniye bağlı hareketli bir bobinin, sabit bir kalıcı mıknatısın boşluğundaki bir manyetik alanla etkileşimi nedeniyle ortaya çıkan ses, yaygın olarak kullanılmaktadır. Sonuç olarak, bobin difüzör ile birlikte hareket eder ve ses dalgaları oluşturur.

Dinamik mikrofonlar, dinamik kafa ile aynı tasarımı kullanır, ancak mikrofonda, aksine, akustik bir sinyalin etkisi altında titreşen, sabit bir kalıcı mıknatısın boşluğunda mini difüzörlü hareketli bir bobin elektrik sinyali üretir. bir ses frekansının

Ölçüm aletleri ve sensörler

Modern dijital ölçüm cihazlarının bolluğuna rağmen, ölçüm teknolojisinde manyetoelektrik, elektromanyetik, elektrodinamik, ferrodinamik ve indüksiyon tipi cihazlar hala kullanılmaktadır.

Yukarıdaki türlerin tüm sistemleri, manyetik alanların veya kalıcı bir mıknatısın, akımla bobin alanıyla veya akımla bobin alanlarıyla ferromanyetik bir çekirdekle veya akımla bobinlerin manyetik alanları ile etkileşim ilkesini kullanır.

Bu tür ölçüm sistemlerinin göreceli ataleti nedeniyle, değişkenlerin ortalama değerlerini ölçmek için uygulanabilirler.