Ток өткізгіш сымдардың магнит өрістерін түсіну
Пендахулуан
Магнит өрістері – ғасырлар бойы адамдарды қызықтырып келген табиғи құбылыс. Магнит өрісін тудырудың бір жолы – электр тогын өткізгіш сым арқылы өткізу. Бұл құбылысты алғаш рет 1820 жылы Ханс Кристиан Эрстед байқаған, ол электр тогының магнит өрісін тудыра алатынын көрсетті. Бұл мақалада ток өткізгіш сым тудыратын магнит өрісі, оның заңдары және күнделікті өмірде қолданылуы тереңірек қарастырылады.
Магнит өрістерін және негізгі ұғымдарды түсіну
Магнит өрісі - магниттің немесе ағып жатқан электр тогының айналасындағы кеңістік, ол сол өрістегі басқа материалдарға магниттік күштің әсер етуін тудырады. Бұл өріс магниттің солтүстік полюсінен сәулеленіп, магниттің оңтүстік полюсіне енетін магнит өрісі сызықтарымен бейнеленеді. Бұл өріс сызықтары неғұрлым жақын орналасқан болса, магнит өрісі соғұрлым күшті болады.
Электр тогы сым сияқты өткізгіш арқылы өткенде, ол сымның айналасында дөңгелек магнит өрісін тудырады. Өрістің бағытын оң қол ережесін пайдаланып анықтауға болады, мұнда оң қолдың бас бармағы электр тогының бағытын көрсетеді, ал бүктелген басқа саусақтар магнит өрісінің бағытын көрсетеді.
Биот-Саварт заңы
Электр тогы тудыратын магнит өрісін сипаттайтын негізгі заңдардың бірі - Био-Савар заңы. Бұл заң оны алғаш рет 19 ғасырдың басында тұжырымдаған екі француз физигі Жан-Батист Био мен Феликс Савардың есімімен аталған.
Био-Саварт теңдеуі шексіз аз ток элементі (Idl) тудыратын кеңістіктегі берілген нүктедегі магнит өрісінің (дБ) келесідей екенін көрсетеді:
\[ dB = \frac{{\mu_0}}{{4\pi}} \frac{{Idl \times \hat{r}}}{{r^2}} \]
Қайда:
– \( дБ \) – шексіз аз магнит өрісі.
– \( \mu_0 \) – вакуум өткізгіштігінің тұрақтысы, оның мәні шамамен \( 4\pi \times 10^{-7} \) Tm/A.
– \( I \) – электр тогы.
– \( dl \) өткізгіш сымның ұзын элементі.
– \( \hat{r} \) – ағымдағы элементтің бақылау нүктесіне қарай бағытталған бірлік векторы.
– \( r \) – ағымдағы элемент пен бақылау нүктесі арасындағы қашықтық.
Бұл теңдеуден электр тогы тудыратын магнит өрісінің ток күшіне тура пропорционал және сымнан қашықтықтың квадратына кері пропорционал екенін көруге болады.
Ампер заңы
Био-Савар заңынан басқа, Ампер заңы да ток өткізетін сымның айналасындағы магнит өрісін түсінуде маңызды. Бұл заңды алғаш рет 1826 жылы Андре-Мари Ампер тұжырымдаған. Ампер заңында магнит өрісінің (B) тұйық жол (контур) бойындағы сызықтық интегралы контур арқылы өтетін жалпы ток күшіне пропорционалды екендігі айтылған. Математикалық тұрғыдан ол келесідей өрнектеледі:
\[ \point B \cdot dl = \mu_0 I_{\text{total}} \]
Қайда:
– \( B \) - магнит өрісі.
– \( dl \) – тұйық жолдың ұзындық элементі.
– \( I_{\text{total}} \) – тұйық жол арқылы ағатын жалпы ток.
Ампер заңы түзу сымдар, соленоидтар және тороидтар сияқты симметриялы геометриялар үшін магнит өрістерін есептеуде өте пайдалы.
Түзу ток өткізетін сымның айналасындағы магнит өрісі
Тогы бар ұзын түзу сымның айналасындағы магнит өрісін Ампер заңын қолданып есептеуге болады. Айталық, сымның центрінде орналасқан радиусы r болатын дөңгелек жолды таңдасақ, сымнан r қашықтықтағы магнит өрісі сол жол бойымен тұрақты болады. Ампер заңын алмастыру арқылы мынаны аламыз:
\[ B \cdot 2\pi r = \mu_0 I \]
Сонымен, түзу сымның айналасындағы магнит өрісі:
\[ B = \frac{{\mu_0 I}}{{2\pi r}} \]
Бұл магнит өрісінің сым арқылы өтетін ток күшіне пропорционалды және сымнан қашықтыққа кері пропорционалды екенін көрсетеді.
Соленоид айналасындағы магнит өрісі
Соленоид – әдетте цилиндрлік пішінді, электр тогы өткен кезде күшті магнит өрісін тудыратын ұзын сым катушкасы. Соленоид ішіндегі магнит өрісі біркелкі дерлік және оны Ампер заңын пайдаланып есептеуге болады. Егер соленоидтың бірлік ұзындыққа шаққандағы орамдары n болса және сым арқылы ток ағып өтсе, соленоид ішіндегі магнит өрісі:
\[ B = \mu_0 n I \]
Соленоидтың сыртындағы магнит өрісін елемеуге болады, себебі ол ішіндегі өріспен салыстырғанда өте әлсіз.
Ток өткізгіш сымдардың магнит өрісін қолдануы
Электр тогының тудыратын магнит өрістерін түсіну көптеген заманауи технологиялар үшін өте маңызды:
1. Трансформатор
Трансформаторлар - электр кернеуін өзгерту үшін қолданылатын құрылғылар. Олар электромагниттік индукция принципі бойынша жұмыс істейді, мұнда өзгеретін магнит өрісі сымдағы кернеуді тудырады. Трансформатор темір өзегіне оралған екі сым катушкасынан тұрады, біріншілік және екіншілік. Біріншілік катушка арқылы электр тогы өткенде, пайда болған магнит өрісі екіншілік катушкада кернеуді тудырады.
2. Электр қозғалтқыштары мен генераторлары
Электр қозғалтқыштары магнит өрісі принципін қолдана отырып, электр энергиясын механикалық энергияға түрлендіреді. Ток қозғалтқыштың ішіндегі сым катушкасы арқылы өткенде, пайда болған магнит өрісі бекітілген магниттің магнит өрісімен әрекеттесіп, роторды айналдыратын күш тудырады. Керісінше, генератор магнит өрісінде сым катушкасын айналдыру арқылы механикалық энергияны электр энергиясына түрлендіреді.
3. Соленоидтар және электромагниттер
Соленоидтар релелер, соленоидты клапандар және жетектер сияқты көптеген қолданбаларда қолданылады. Электр тогы соленоид арқылы өткен кезде, оның ішінде күшті магнит өрісі пайда болады, оны поршеньді немесе басқа механизмді жылжыту үшін пайдалануға болады. Электромагниттерді медициналық салада көтеру жабдықтарында, электромагниттік тежеуде және МРТ жабдықтарында қолдануға болады.
4. Асқын өткізгіш сым
Асқын өткізгіштер - өте төмен температурада нөлдік кедергіге ие материалдар. Асқын өткізгіш сым арқылы электр тогы өткенде, ол энергияны жоғалтпай өте күшті магнит өрісін тудыруы мүмкін. Бұл МРТ технологиясында, бөлшектер үдеткіштерінде және ядролық синтез реакторларын әзірлеуде өте пайдалы.
Қорытынды
Ток өткізетін сымдар тудыратын магнит өрістерін түсіну қазіргі физиканың көптеген құбылыстары мен қолданылуының негізі болып табылады. Био-Саварт және Ампер заңдары сияқты негізгі заңдардан бастап күрделі конфигурациялардағы магнит өрістерін есептеуге дейін, бұл қағидаттар бізге әлемді өзгертетін әртүрлі технологияларды әзірлеуге көмектеседі. Осы саладағы үздіксіз зерттеулер мен инновациялар арқылы күнделікті өмірде магнит өрістеріне сүйенетін технологиялық қолданыстардың көбірек болатынын күтуге болады.
