Cərəyan Keçirici Naqillərdə Maqnit Sahələrini Anlamaq
Pendahuluan
Maqnit sahələri əsrlər boyu insanları valeh edən təbii bir fenomendir. Maqnit sahəsi yaratmağın bir yolu elektrik cərəyanını keçirici məftildən keçirməkdir. Bu fenomen ilk dəfə 1820-ci ildə Hans Kristian Örsted tərəfindən müşahidə edilmiş və o, elektrik cərəyanının maqnit sahəsi yarada biləcəyini nümayiş etdirmişdir. Bu məqalədə cərəyan daşıyan məftil tərəfindən yaradılan maqnit sahəsi, onun qanunları və gündəlik həyatda tətbiqləri daha dərindən araşdırılacaq.
Maqnit Sahələrini və Əsas Anlayışları Anlamaq
Maqnit sahəsi, maqnitin və ya axan elektrik cərəyanının ətrafındakı boşluqdur və bu, həmin sahədəki digər materiallara maqnit qüvvəsinin təsir etməsinə səbəb olur. Bu sahə, maqnitin şimal qütbündən şüalanan və maqnitin cənub qütbünə daxil olan maqnit sahəsi xətləri ilə təmsil olunur. Bu sahə xətləri nə qədər yaxın yerləşərsə, maqnit sahəsi bir o qədər güclüdür.
Elektrik cərəyanı naqil kimi bir keçiricidən axdıqda, naqil ətrafında dairəvi bir maqnit sahəsi yaradır. Sahənin istiqaməti sağ əl qaydası ilə müəyyən edilə bilər, burada sağ əlin baş barmağı elektrik cərəyanının istiqamətini, digər bükülmüş barmaqlar isə maqnit sahəsinin istiqamətini göstərir.
Biot-Savart Qanunu
Elektrik cərəyanının yaratdığı maqnit sahəsini təsvir edən fundamental qanunlardan biri Bio-Savart qanunudur. Bu qanun, onu ilk dəfə 19-cu əsrin əvvəllərində formalaşdıran iki fransız fizikinin - Jan-Batist Biot və Feliks Savartın adını daşıyır.
Biot-Savart tənliyi, sonsuz kiçik cərəyan elementi (İdl) tərəfindən fəzada verilən nöqtədə yaranan maqnit sahəsinin (dB) aşağıdakı kimi olduğunu bildirir:
\[ dB = \frac{{\mu_0}}{{4\pi}} \frac{{Idl \times \hat{r}}}{{r^2}} \]
Harada:
– \( dB \) sonsuz kiçik bir maqnit sahəsidir.
– \( \mu_0 \) vakuum keçiricilik sabitidir, onun qiyməti təxminən \( 4\pi \times 10^{-7} \) Tm/A-dır.
– \( I \) elektrik cərəyanıdır.
– \( dl \) keçirici telin uzun elementidir.
– \( \hat{r} \) cari elementin müşahidə nöqtəsinə doğru vahid vektorudur.
– \( r \) cari element ilə müşahidə nöqtəsi arasındakı məsafədir.
Bu tənlikdən görə bilərik ki, elektrik cərəyanının yaratdığı maqnit sahəsi cərəyanın böyüklüyü ilə düz mütənasib və naqildən məsafənin kvadratı ilə tərs mütənasibdir.
Amper Qanunu
Biot-Savart Qanunundan əlavə, Amper Qanunu da cərəyan daşıyan naqil ətrafındakı maqnit sahəsini anlamaqda vacibdir. Bu qanun ilk dəfə 1826-cı ildə Andre-Mari Amper tərəfindən ifadə edilmişdir. Amper Qanununda deyilir ki, qapalı yol (döngə) boyunca maqnit sahəsinin (B) xətti inteqralı dövrədən axan ümumi cərəyanla mütənasibdir. Riyazi olaraq, bu aşağıdakı kimi ifadə olunur:
\[ \point B \cdot dl = \mu_0 I_{\text{cəmi}} \]
Harada:
– \( B \) maqnit sahəsidir.
– \( dl \) qapalı yolun uzunluq elementidir.
– \( I_{\text{cəmi}} \) qapalı yoldan axan ümumi cərəyandır.
Amper qanunu düz naqillər, solenoidlər və toroidlər kimi simmetrik həndəsələr üçün maqnit sahələrinin hesablanmasında çox faydalıdır.
Düz Cərəyanlı Telin Ətrafındakı Maqnit Sahəsi
Cərəyanı \(I \) olan uzun düz naqildə onun ətrafındakı maqnit sahəsi Amper qanunundan istifadə etməklə hesablana bilər. Tutaq ki, naqil üzərində mərkəzləşdirilmiş radiuslu \(r \) dairəvi yol seçsək, naqildən \(r \) məsafədə maqnit sahəsi \(B \) həmin yol boyunca sabit olacaq. Amper qanununu əvəz etməklə aşağıdakıları əldə edirik:
\[ B \cdot 2\pi r = \mu_0 I \]
Beləliklə, düz bir telin ətrafındakı maqnit sahəsi:
\[ B = \frac{{\mu_0 I}}{{2\pi r}} \]
Bu, maqnit sahəsinin naqildən axan cərəyanla mütənasib və naqildən məsafə ilə tərs mütənasib olduğunu göstərir.
Solenoid ətrafındakı maqnit sahəsi
Solenoid, adətən silindrik formalı, elektrik cərəyanı axdıqda güclü maqnit sahəsi yaradan uzun bir tel rulonudur. Solenoidin içərisindəki maqnit sahəsi demək olar ki, vahiddir və Amper qanunu ilə hesablana bilər. Əgər solenoidin vahid uzunluq başına \(n\) növbəsi varsa və teldən \(I\) cərəyan axırsa, solenoidin içindəki maqnit sahəsi aşağıdakı kimidir:
\[ B = \mu_0 n I \]
Solenoidin xaricindəki maqnit sahəsini nəzərə almamaq olar, çünki o, içəridəki sahəyə nisbətən çox zəifdir.
Cərəyan Keçirici Məftildən Maqnit Sahəsinin Tətbiqi
Elektrik cərəyanlarının yaratdığı maqnit sahələrini anlamaq bir çox müasir texnologiyalar üçün vacibdir:
1. Transformator
Transformatorlar elektrik gərginliyini dəyişdirmək üçün istifadə olunan cihazlardır. Onlar elektromaqnit induksiyası prinsipi ilə işləyirlər, burada dəyişən maqnit sahəsi naqildə gərginlik yaradır. Transformator dəmir nüvənin ətrafına sarılmış iki naqildən, birinci və ikinci dərəcəli naqillərdən ibarətdir. Elektrik cərəyanı birinci dərəcəli naqildən axdıqda, yaranan maqnit sahəsi ikinci dərəcəli naqildə gərginlik yaradır.
2. Elektrik mühərrikləri və generatorları
Elektrik mühərrikləri maqnit sahələri prinsipindən istifadə edərək elektrik enerjisini mexaniki enerjiyə çevirir. Cərəyan mühərrikin içərisindəki naqil rulonundan axdıqda, yaranan maqnit sahəsi sabit maqnitin maqnit sahəsi ilə qarşılıqlı təsir göstərir və rotoru fırladan qüvvə yaradır. Əksinə, generator naqil rulonunu maqnit sahəsində fırlatmaqla mexaniki enerjini elektrik enerjisinə çevirir.
3. Solenoidlər və Elektromaqnitlər
Solenoidlər relelər, solenoid klapanlar və aktuatorlar kimi bir çox tətbiqdə istifadə olunur. Elektrik cərəyanı solenoiddən axdıqda, onun daxilində güclü bir maqnit sahəsi yaranır və bu sahə daha sonra porşen və ya digər mexanizmi hərəkət etdirmək üçün istifadə edilə bilər. Elektromaqnitlər tibb sahəsində qaldırıcı avadanlıqlarda, elektromaqnit əyləcləmə və MRT avadanlıqlarında istifadə edilə bilər.
4. Superkeçirici Tel
Superkeçiricilər çox aşağı temperaturda sıfır müqavimətə malik olan materiallardır. Elektrik cərəyanı superkeçirici naqildən axdıqda, enerji itirmədən çox güclü bir maqnit sahəsi yarada bilər. Bu, MRT texnologiyasında, hissəcik sürətləndiricilərində və nüvə sintez reaktorlarının inkişafında çox faydalıdır.
Nəticə
Cərəyan daşıyan naqillərin yaratdığı maqnit sahələrini anlamaq müasir fizikanın bir çox fenomeni və tətbiqlərinin əsasını təşkil edir. Biot-Savart və Amper qanunları kimi fundamental qanunlardan tutmuş daha mürəkkəb konfiqurasiyada maqnit sahələrinin hesablanmasına qədər bu prinsiplər dünyanı dəyişdirən müxtəlif texnologiyaların inkişaf etdirilməsinə kömək edir. Bu sahədə davamlı tədqiqat və innovasiya sayəsində gündəlik həyatda maqnit sahələrinə əsaslanan daha çox texnoloji tətbiqin şahidi ola bilərik.
