Μαγνητική επίδραση ηλεκτρικού ρεύματος

Το μαγνητικό πεδίο είναι η επίδραση της δύναμης γύρω από έναν μαγνήτη. Μια πυξίδα ή οποιοσδήποτε άλλος μαγνήτης μπορεί να ανιχνεύσει τη δύναμη που παράγεται από έναν μαγνήτη στο μαγνητικό πεδίο.

Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου αντιπροσωπεύουν το μαγνητικό πεδίο. Η γραμμή πεδίου ή η γραμμή πεδίου ενός μαγνήτη αναφέρεται στις νοητές γραμμές του μαγνητικού πεδίου που περιβάλλουν έναν μαγνήτη. Επιτρέποντας στα γεμίσματα σιδήρου να εγκατασταθούν γύρω από έναν μαγνήτη ράβδου, τα αναγκάζει να σχηματίσουν ένα σχέδιο που μοιάζει με γραμμές μαγνητικού πεδίου. Μια πυξίδα μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της γραμμής πεδίου ενός μαγνήτη. Ένα μαγνητικό πεδίο είναι ένα διανυσματικό μέγεθος, που σημαίνει ότι έχει και διεύθυνση και μέγεθος.

Ένα μαγνητικό πεδίο δημιουργείται από το ρεύμα που ρέει μέσω ενός αγωγού. Όταν ένας μαγνήτης τοποθετείται κοντά σε έναν αγωγό, παρατηρείται ότι το μαγνητικό πεδίο ασκεί μια δύναμη σε αυτόν. Ο Andre Marie Ampere, ένας Γάλλος φυσικός, ήταν ο πρώτος που εντόπισε αυτό το περιστατικό. Υποστήριξε επίσης ότι ο αγωγός υπόκειται σε ίση και αντίθετη δύναμη από τον μαγνήτη. Όταν το ρεύμα διαμέσου του αγωγού αντιστρέφεται, η κατεύθυνση της δύναμης που παράγεται στο αντικείμενο αντιστρέφεται επίσης. Ανακαλύφθηκε επίσης ότι η μετατόπιση είναι μεγαλύτερη όταν η κατεύθυνση του ρεύματος είναι κάθετη στο μαγνητικό πεδίο. Ένας απλός κανόνας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της δύναμης του αγωγού.

Πεδία μαγνητισμού 

Τα μαγνητικά πεδία αναφέρονται στην περιοχή γύρω από έναν μαγνήτη όπου μπορεί να γίνει αισθητή η πρόσκρουση του μαγνήτη. Οι μαγνητικές γραμμές δύναμης αντιπροσωπεύουν το μαγνητικό πεδίο, καθώς και το πεδίο και την κατεύθυνσή του. Οι μαγνήτες ράβδων, οι μαγνητικές βελόνες και η μαγνητική πυξίδα είναι όλα παραδείγματα κατασκευασμένων μαγνητών.

Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου παρουσιάζουν μια ποικιλία ιδιοτήτων. Παρακάτω είναι μια λίστα με αυτά.

• Στον βόρειο πόλο αναδύεται το μαγνητικό πεδίο και στον νότιο πόλο συγχωνεύεται. Οι γραμμές πεδίου, από την άλλη πλευρά, ταξιδεύουν από τον βόρειο πόλο στον νότιο πόλο εντός του μαγνήτη.
• Οι κλειστές καμπύλες αποτελούν τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου.
• Η σχετική ένταση του μαγνητικού πεδίου καθορίζεται από τον βαθμό εγγύτητας των γραμμών πεδίου. Οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου δεν διασταυρώνονται μεταξύ τους (όσο πιο γεμάτες είναι οι γραμμές, τόσο ισχυρότερο είναι το πεδίο).

Το ρεύμα που ρέει μέσω ενός ευθύγραμμου αγωγού παράγει ένα μαγνητικό πεδίο.

Ένα μαγνητικό πεδίο σε σχήμα ομόκεντρων δακτυλίων περιβάλλει ένα ευθύ σύρμα που μεταφέρει ρεύμα. Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου απεικονίζουν το μαγνητικό πεδίο ενός ευθύγραμμου σύρματος που μεταφέρει ρεύμα.

Η ροή του ηλεκτρικού ρεύματος καθορίζει την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου μέσω ενός αγωγού που μεταφέρει ρεύμα. Όταν η κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος αλλάζει, η φορά του μαγνητικού πεδίου αντιστρέφεται.

Αφήστε ένα ηλεκτρικό ρεύμα να ρέει από νότο προς βορρά μέσω ενός αγωγού που μεταφέρει ρεύμα κρεμασμένο κάθετα. Το μαγνητικό πεδίο θα περιστραφεί αριστερόστροφα σε αυτήν την περίπτωση. Το μαγνητικό πεδίο θα είναι δεξιόστροφα εάν το ρεύμα κινείται από βορρά προς νότο.

Κανόνας αντίχειρα για το δεξί χέρι 

Ο κανόνας του δεξιού αντίχειρα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να δείξει την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου με την κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος μέσω ενός ευθύγραμμου αγωγού. Το Maxwell's Corkscrew Rule είναι ένα άλλο όνομα για αυτό.

Ο κανόνας του τιρμπουσόν του Μάξγουελ

Εάν η κατεύθυνση της κίνησης προς τα εμπρός της βίδας αποκαλύπτει την κατεύθυνση του ρεύματος, τότε η φορά περιστροφής της βίδας εμφανίζει την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου, σύμφωνα με τον Κανόνα του Μαξγουέλ για το τιρμπουσόν.

Ιδιότητες μαγνητικού πεδίου 

• Το μέγεθος του μαγνητικού πεδίου αυξάνεται καθώς το ηλεκτρικό ρεύμα αυξάνεται και μειώνεται καθώς πέφτει το ηλεκτρικό ρεύμα.
• Με την αύξηση της απόστασης, η ποσότητα του μαγνητικού πεδίου που παράγεται από το ηλεκτρικό ρεύμα μειώνεται και αντίστροφα. Η ακτίνα των ομόκεντρων κύκλων των γραμμών μαγνητικού πεδίου γίνεται μεγαλύτερη καθώς απομακρύνεστε από τον αγωγό, υποδεικνύοντας ότι το μαγνητικό πεδίο εξασθενεί.
• Γραμμές μαγνητικού πεδίου τρέχουν παράλληλα μεταξύ τους ανά πάσα στιγμή.
• Δεν υπάρχουν γραμμές πεδίου που τέμνονται μεταξύ τους.

Κανόνας όψης ρολογιού

Με την αύξηση του ηλεκτρικού ρεύματος, το μέγεθος του μαγνητικού πεδίου αυξάνεται και με την πτώση του ηλεκτρικού ρεύματος, μειώνεται.

Με την αύξηση της απόστασης, η ποσότητα του μαγνητικού πεδίου που δημιουργείται από το ηλεκτρικό ρεύμα μειώνεται και αντίστροφα. Η ακτίνα των ομόκεντρων δακτυλίων των γραμμών μαγνητικού πεδίου γίνεται μεγαλύτερη καθώς απομακρύνεστε περισσότερο από τον αγωγό, υποδεικνύοντας ότι το μαγνητικό πεδίο εξασθενεί. Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου τρέχουν παράλληλα μεταξύ τους ανά πάσα στιγμή. Δεν υπάρχουν διασταυρώσεις μεταξύ των γραμμών πεδίου.

Αριθμός στροφών πηνίου και μαγνητικό πεδίο

Το μέγεθος του μαγνητικού πεδίου προστίθεται καθώς αυξάνεται ο αριθμός των στροφών των πηνίων. Το μέγεθος του μαγνητικού πεδίου θα είναι «n» επί του ενός μόνο περιστροφή του πηνίου, εάν υπάρχουν «n» στροφές του πηνίου.

Η ισχύς του μαγνητικού πεδίου στο κέντρο του βρόχου (πηνίο) καθορίζεται από: 

(i) Διάμετρος του πηνίου: Η ένταση του μαγνητικού πεδίου είναι αντιστρόφως ανάλογη με την ακτίνα του πηνίου. Η μαγνητική ισχύς στο κέντρο πέφτει καθώς η ακτίνα μεγαλώνει.

(ii) Ο αριθμός των στροφών του πηνίου: Επειδή το ρεύμα σε κάθε κυκλική στροφή έχει την ίδια κατεύθυνση, η μαγνητική ισχύς στο κέντρο αυξάνεται καθώς αυξάνεται ο αριθμός των στροφών στο πηνίο, επειδή το πεδίο που οφείλεται σε κάθε γύρο αθροίζεται.

(iii) Η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που διέρχεται από το πηνίο. : Η ισχύς των τριών μαγνητικών πεδίων αυξάνεται καθώς αυξάνεται η ένταση του ρεύματος.

Ένα ρεύμα σε μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα παράγει ένα μαγνητικό πεδίο:Το πηνίο με πολλές κυκλικές στροφές από μονωμένο χάλκινο σύρμα τυλιγμένο σφιχτά με τη μορφή κυλίνδρου είναι γνωστό ως ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα. Μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα που μεταφέρει ρεύμα δημιουργεί ένα μοτίβο μαγνητικού πεδίου παρόμοιο με αυτό ενός μαγνήτη ράβδου.

Ηλεκτρομαγνήτης: Ένα μεγάλο πηνίο από μονωμένο χάλκινο σύρμα τυλιγμένο γύρω από ένα μαλακό σίδερο συνθέτει έναν ηλεκτρομαγνήτη. Οι ηλεκτρομαγνήτες είναι μαγνήτες που δημιουργούνται δημιουργώντας ένα μαγνητικό πεδίο μέσα σε μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα.

Κανόνας του δεξιού χεριού του Φλέμινγκ 

Ο κανόνας του δεξιού χεριού του Φλέμινγκ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εξηγήσει την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή. Όταν ο δείκτης (μπροστινό τζίντζερ) δάχτυλο, το μεσαίο δάχτυλο και ο αντίχειρας είναι όλα σε κάθετες κατευθύνσεις στο δεξί χέρι, ο αντίχειρας δείχνει την κατεύθυνση του επαγόμενου ρεύματος στον αγωγό. Τρεις αμοιβαία κάθετοι άξονες, δηλαδή οι άξονες x, y και z, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη σύγκριση των κατευθύνσεων κίνησης του αγωγού, του μαγνητικού πεδίου και του επαγόμενου ρεύματος.

Σε μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, το ρεύμα δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο.

Ένα σωληνοειδές είναι ένα πηνίο που περιλαμβάνει πολλές κυκλικές στροφές μονωμένου χάλκινου σύρματος τυλιγμένο μαζί σε κυλινδρική μορφή. Όταν εφαρμόζεται ρεύμα στην ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, αρχίζει να συμπεριφέρεται σαν μαγνήτης ράβδου, με το ένα άκρο να λειτουργεί ως βόρειος πόλος και το άλλο ως νότιος πόλος. Επειδή οι γραμμές μαγνητικού πεδίου εντός της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας έχουν το σχήμα ευθειών γραμμών, το πεδίο μέσα στην ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα είναι ομοιόμορφο. Εισάγοντας ένα κομμάτι μαγνητικού υλικού μέσα στο πηνίο, η ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα μπορεί επίσης να το μαγνητίσει. Ως αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας δημιουργείται ένας ηλεκτρομαγνήτης.

Ηλεκτρική γεννήτρια 

Ας ρίξουμε μια ματιά στο πώς κατασκευάζεται μια ηλεκτρική γεννήτρια και πώς λειτουργεί: 

• Μια μηχανική γεννήτρια μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια.
• Μια ηλεκτρική γεννήτρια είναι δομικά παρόμοια με έναν ηλεκτροκινητήρα. Ένας οπλισμός τοποθετείται στο μαγνητικό πεδίο ενός μόνιμου μαγνήτη σε μια ηλεκτρική γεννήτρια.
• Ο οπλισμός κινείται γύρω από τον άξονα και συνδέεται με το καλώδιο. Όταν ο οπλισμός κινείται μέσα στο ηλεκτρικό πεδίο, δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο.
• Η κατεύθυνση του παραγόμενου ρεύματος αλλάζει καθώς φτάνει στο μισό της διαδρομής του σπιν του. Η γεννήτρια δημιουργεί AC επειδή η κατεύθυνση του ρεύματος αλλάζει μία φορά ανά κύκλο.
• Ένας μεταγωγέας διαχωρισμένου δακτυλίου βοηθά στη μετατροπή των γεννητριών AC σε γεννήτριες συνεχούς ρεύματος, με αποτέλεσμα την παραγωγή συνεχούς ρεύματος.

Συμπέρασμα

Οι νοητές γραμμές μαγνητικού πεδίου που περιβάλλουν έναν μαγνήτη αναφέρονται ως γραμμή πεδίου ή γραμμή πεδίου ενός μαγνήτη, αντίστοιχα. Αφού αφεθούν να εγκατασταθούν γύρω από έναν μαγνήτη ράβδου για ένα χρονικό διάστημα, τα ρινίσματα σιδήρου σχηματίζουν μια διάταξη που μοιάζει πολύ με τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου. Μια πυξίδα μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την αναγνώριση της γραμμής μαγνητικού πεδίου ενός μαγνήτη. Σε αντίθεση με άλλα μεγέθη, το μαγνητικό πεδίο είναι διανυσματικό μέγεθος, που σημαίνει ότι έχει κατεύθυνση και μέγεθος. Στην περιοχή ενός ευθύγραμμου αγωγού που μεταφέρει ρεύμα, υπάρχει ένα μαγνητικό πεδίο σε σχήμα ομόκεντρων δακτυλίων. Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αναπαραστήσουν το μαγνητικό πεδίο ενός ευθύγραμμου σύρματος που μεταφέρει ρεύμα.

Η κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου που ρέει μέσω ενός αγωγού που μεταφέρει ρεύμα καθορίζεται από την κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος που ρέει μέσω του αγωγού.