Разбирање на магнетните полиња во жиците што пропуштаат струја
Пендахулуан
Магнетните полиња се природен феномен што ги фасцинира луѓето со векови. Еден начин да се произведе магнетно поле е со пуштање електрична струја низ спроводлива жица. Овој феномен првпат го забележал Ханс Кристијан Ерстед во 1820 година, кој покажал дека електричната струја може да произведе магнетно поле. Оваа статија ќе навлезе подлабоко во магнетното поле произведено од жица што носи струја, неговите закони и неговата примена во секојдневниот живот.
Разбирање на магнетните полиња и основните концепти
Магнетно поле е просторот околу магнет или течна електрична струја, што предизвикува магнетна сила да дејствува врз други материјали во тоа поле. Ова поле е претставено со линии на магнетното поле што зрачат од северниот пол на магнетот и влегуваат во јужниот пол на магнетот. Колку поблиску се наоѓаат овие линии на полето, толку е посилно магнетното поле.
Кога електрична струја тече низ проводник, како што е жица, таа создава кружно магнетно поле околу жицата. Насоката на полето може да се одреди со користење на правилото за десна рака, каде што палецот на десната рака покажува во насока на електричната струја, а другите прсти, кои се свиткани, ја означуваат насоката на магнетното поле.
Законот Биот-Савар
Еден од основните закони што го опишува магнетното поле произведено од електрична струја е законот на Био-Савар. Овој закон е именуван по двајца француски физичари, Жан-Батист Био и Феликс Савар, кои први го формулирале на почетокот на 19 век.
Равенката Био-Савар наведува дека магнетното поле (dB) во дадена точка во просторот произведено од инфинитимален елемент на струја (Idl) е:
\[ dB = \frac{{\mu_0}}{{4\pi}} \frac{{Idl \times \hat{r}}}{{r^2}} \]
ди мана:
– \( dB \) е бесконечно мало магнетно поле.
– \( \mu_0 \) е константата на пропустливост на вакуум, нејзината вредност е околу \( 4 \pi \times 10^{-7} \) Tm/A.
– \( I \) е електричната струја.
– \( dl \) е долгиот елемент на спроводливата жица.
– \( \hat{r} \) е единичниот вектор на тековниот елемент кон точката на набљудување.
– \( r \) е растојанието помеѓу тековниот елемент и точката на набљудување.
Од оваа равенка, можеме да видиме дека магнетното поле произведено од електрична струја е директно пропорционално на големината на струјата и обратно пропорционално на квадратот на растојанието од жицата.
Амперов закон
Покрај законот на Био-Савар, и Амперовиот закон е важен за разбирање на магнетното поле околу жица низ која тече струја. Овој закон првпат го формулирал Андре-Мари Ампер во 1826 година. Амперовиот закон наведува дека линискиот интеграл на магнетното поле (B) долж затворена патека (јамка) е пропорционален на вкупната струја што тече низ јамката. Математички, тој се изразува како:
\[ \точка Б \cdot dl = \mu_0 I_{\text{вкупно}} \]
ди мана:
– \( B \) е магнетното поле.
– \( dl \) е елементот на должина на затворена патека.
– \( I_{\text{вкупно}} \) е вкупната струја што тече низ затворена патека.
Амперовиот закон е многу корисен при пресметување на магнетни полиња за симетрични геометрии како што се прави жици, соленоиди и тороиди.
Магнетно поле околу права жица што тече низ струја
Во долга права жица со струја I, магнетното поле околу неа може да се пресмета со помош на Амперовиот закон. Да претпоставиме дека избираме кружна патека со радиус r центриран на жицата, магнетното поле B на растојание r од жицата ќе биде константно по таа патека. Со замена на Амперовиот закон, добиваме:
\[ B \cdot 2\pi r = \mu_0 I \]
Значи, магнетното поле околу права жица е:
\[ B = \frac{{\mu_0 I}}{{2\pi r}} \]
Ова покажува дека магнетното поле е пропорционално на струјата што тече низ жицата и обратно пропорционално на растојанието од жицата.
Магнетно поле околу соленоид
Соленоид е долга калем од жица, обично цилиндрична, која произведува силно магнетно поле кога низ него тече електрична струја. Магнетното поле во соленоидот е речиси униформно и може да се пресмета со помош на Амперовиот закон. Ако соленоидот има \(n\) вртежи по единица должина и струја \(I\) тече низ жицата, магнетното поле во соленоидот е:
\[ B = \mu_0 n I \]
Магнетното поле надвор од соленоидот може да се игнорира бидејќи е многу слабо во споредба со полето внатре.
Примени на магнетно поле на жици што пренесуваат струја
Разбирањето на магнетните полиња произведени од електрични струи е клучно за многу современи технологии:
1. Трансформатор
Трансформаторите се уреди што се користат за промена на електричниот напон. Тие работат на принципот на електромагнетна индукција, каде што променливото магнетно поле индуцира напон во жица. Трансформаторот се состои од две калеми од жица, примарна и секундарна, намотани околу железно јадро. Кога електрична струја тече низ примарната намотка, добиеното магнетно поле индуцира напон во секундарната намотка.
2. Електромотори и генератори
Електричните мотори ја претвораат електричната енергија во механичка енергија користејќи го принципот на магнетни полиња. Кога струја тече низ калем од жица во моторот, добиеното магнетно поле реагира со магнетното поле на фиксен магнет, создавајќи сила што го ротира роторот. Обратно, генераторот ја претвора механичката енергија во електрична енергија со ротирање на калем од жица во магнетно поле.
3. Соленоиди и електромагнети
Соленоидите се користат во многу апликации, како што се релеи, соленоидни вентили и актуатори. Кога електрична струја тече низ соленоид, во него се генерира силно магнетно поле, кое потоа може да се користи за движење на клип или друг механизам. Електромагнетите можат да се користат во опрема за кревање, електромагнетно сопирање и опрема за МРИ во медицинската област.
4. Суперспроводлива жица
Суперспроводниците се материјали кои имаат нулти отпор на многу ниски температури. Кога електрична струја тече низ суперспроводлива жица, таа може да создаде многу силно магнетно поле без губење на енергија. Ова е многу корисно во МРИ технологијата, забрзувачите на честички и развојот на нуклеарни фузиони реактори.
Заклучок
Разбирањето на магнетните полиња генерирани од жици што пропуштаат струја е основа за многу феномени и примени на модерната физика. Од фундаментални закони како што се законите на Био-Савар и Ампер, до пресметување на магнетни полиња во посложени конфигурации, овие принципи ни помагаат да развиеме различни технологии што го менуваат светот. Преку континуирано истражување и иновации во оваа област, можеме да очекуваме да видиме повеќе технолошки апликации што се потпираат на магнетни полиња во секојдневниот живот.
