Магнитное поле движущихся электрических зарядов
Согласно уравнениям Максвелла магнитное поле возникает при движении электрических зарядов (при наличии электрического тока) и при изменении во времени электрического поля. Показано, что и при наличии электрического тока истинной причиной появления магнитного поля также является переменное во времени электрическое поле.
Авторы: Г. А. Борисов
Направление: Электротехника
Ключевые слова: Электрическое поле, магнитное поле, электромагнитное поле, электромагнитная взаимоиндукция, электрический заряд, электрический поток, магнитный поток
Физика. 10 класс
§ 27. Действие магнитного поля на проводник с током. Взаимодействие проводников с током
Явления взаимодействия одноимённых и разноимённых электрических зарядов напоминают явления отталкивания одноимённых полюсов и притяжения разноимённых полюсов магнитов ( рис. 136 ). Электрические взаимодействия осуществляются посредством электрических полей, а чем обусловлены магнитные взаимодействия и чем определяются магнитные свойства тел?
Магнитное поле. То, что магниты взаимодействуют друг с другом, что распиленный пополам магнит превращается в два магнита, а железо при соприкосновении с магнитом намагничивается, было установлено достаточно давно. Гораздо позже обнаружили связь между электрическими и магнитными явлениями, хотя намагничивание железных предметов, перемагничивание стрелки компаса во время грозовых электрических разрядов и многие другие наблюдения и опыты заставляли учёных задуматься над этим. Первыми эту связь исследовали в 1820 г. датский физик Ганс Христиан Эрстед ( 1777–1851 ) и уже известный вам французский физик и математик Андре-Мари Ампер.
Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка, расположенная вблизи проводника, поворачивалась на некоторый угол при прохождении по проводнику электрического тока ( рис. 137 ). Открытие Эрстеда позволило Амперу сделать вывод, что магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами, циркулирующими внутри этого тела и получившими название «амперовы токи» или «молекулярные токи» ( рис. 138 ). Это означало, что магнитное взаимодействие обусловлено не особыми магнитными зарядами, а движением электрических зарядов — электрическим током.
Взаимодействие проводника с током и магнитной стрелки в опыте Эрстеда является взаимодействием электрического тока проводника с «амперовыми токами» в магнитной стрелке (гипотеза Ампера). Это взаимодействие осуществляется посредством магнитного поля.
Магнитное поле – особая форма материи, создаваемая движущимися относительно определённой инерциальной системы отсчёта электрическими зарядами или переменными электрическими полями.
Опыты свидетельствуют, что магнитное поле возникает при движении любых электрических зарядов. Поскольку скорость движения заряда зависит от выбора системы отсчёта, магнитное поле одного и того же заряда в разных системах отсчёта различное. Если по отношению к определённой инерциальной системе отсчёта электрический заряд покоится, то в этой системе отсчёта он создаёт только электростатическое поле. Электрический заряд, движущийся относительно данной инерциальной системы отсчёта, создаёт в ней не только электрическое поле, но и магнитное, которые являются компонентами единого электромагнитного поля.
Посредством магнитного поля осуществляется взаимодействие между подвижными электрическими зарядами (а также магнитами). При этом каждый движущийся в данной инерциальной системе отсчёта электрический заряд создаёт в окружающем пространстве магнитное поле. Это поле действует некоторыми силами на любые другие движущиеся электрические заряды, а также находящиеся в нём магниты.
Таким образом, о существовании магнитного поля можно судить по наличию силы, действующей на электрический заряд, движущийся относительно выбранной инерциальной системы отсчёта, или находящийся в этом поле магнит.
От теории к практике
Магнитная стрелка, расположенная под медным проводником, поворачивается на некоторый угол при прохождении по нему электрического тока. Будет ли стрелка поворачиваться, если медный проводник заменить водным раствором щёлочи, помещённым в тонкую стеклянную трубку?
Интересно знать
Современные научные представления не отвергают, а наоборот, предсказывают частицы с магнитным зарядом — магнитные монополи. однако такие частицы пока экспериментально не наблюдали.
Электрический ток и магнитное поле
Теоретические расчеты предполагают, что статическое электрическое поле индуцирует заряд на поверхности тела людей, подвергающихся экспозиции. Этот заряд может ощущаться при его разрядке на заземленный объект. При достаточно высоком напряжении, воздух ионизируется и становится способным проводить электрический ток, например, между заряженным объектом и заземленным человеком. Пробивное напряжение зависит от ряда факторов, к которым, в частности, относятся форма заряженного объекта и атмосферные условия. Стандартная величина соответствующей напряженности электрического поля находится в диапазоне от 500 до 1200 kV/m.
Отчеты, поступающие из некоторых стран, свидетельствуют о том, что ряд операторов мониторов перенесли кожные расстройства. Однако точная взаимосвязь этих расстройств с работой у монитора непонятна. Было высказано предположение о том, что статические электрические поля на рабочих местах с мониторами могут являться возможной причиной кожных расстройств. Существует также возможность того, что в возникновении кожных расстройств «замешан» электростатический заряд оператора. Однако какая-либо взаимосвязь между электростатическими полями и кожными расстройствами все еще должна рассматриваться только как гипотеза, основанная на доступных результатах исследований.
Измерение, предупреждение и стандарты экспозиции
Измерения напряженности статического электрического поля могут быть ограничены измерениями напряжения или электрических зарядов. Можно приобрести несколько электростатических вольтметров, которые позволяют проводить точные измерения электростатических источников или других источников с высоким импедансом (полным сопротивлением) без физического контакта. Для уменьшения отклонений (low drift) в показаниях приборов можно использовать электростатический прерыватель, а для точности измерений и нечувствительности прибора к расхождению между зондом и поверхностью можно применять отрицательную обратную связь. В некоторых случаях во время измерения электростатический электрод «проверяет» поверхность через маленькое отверстие в основании сборки зонда. Прерванный сигнал переменного тока, индуцированный на этом электроде, пропорционален разности напряжений проверяемой поверхности и сборки зонда. Адаптеры градиента (Gradient adapters) также используются в качестве дополнения к электростатическим вольтметрам и позволяют применять их для измерения напряженности электростатического поля. При этом возможно прямое считывание (в вольтах на метр) разницы
между проверяемой поверхностью и заземленной пластиной адаптера.
Не существует надежных данных, которые могли бы выступить в роли директив для разработки основных лимитов экспозиции человека статическим электрическим полям. В принципе, лимиты экспозиции могут быть выведены из показателя минимального пробойного напряжения в воздухе. Однако напряженность поля, воздействующая на человека в электростатическом поле, изменяется в зависимости от ориентации и формы тела. Это должно приниматься во внимание при попытке создать приемлемый лимит напряженности.
Пороговые значения лимитов (TLVs) были рекомендованы Американской конференцией правительственных промышленных гигиенистов (ACGIH 1995). Эти значения относятся к максимальной напряженности статического электрического поля на незащищенном рабочем месте, которая представляет собой условия, в которых практически все рабочие могут неоднократно подвергаться экспозиции без вредных для здоровья последствий. В соответствии с рекомендациями ACGIH, профессиональная экспозиция не должна превышать напряженности статического электрического поля, равной 25 kV/m. Это значение должно использоваться как руководство в контроле экспозиции и, из-за индивидуальной чувствительности, не должно рассматриваться как четкая граница между безопасными и опасными уровнями. (Этот лимит относится к напряженности полей в воздухе, вдали от поверхности проводников, где искровые разряды и контактные токи могут представлять серьезную опасность, и может использоваться для ограничения как частичной, так и полной экспозиции тела.) Необходимо устранить незаземленные объекты, заземлить их или использовать изолирующие перчатки для обращения с незаземленными объектами. Осторожность диктует использование защитных приспособлений (например, костюмов, перчаток и изоляции) во всех полях, превышающих 15 kV/m.
По мнению ACGIH, существующей информации о реакциях человека и возможных биологических эффектах воздействия статических электрических полей недостаточно для разработки надежных пороговых значений лимитов взвешенной по времени средней экспозиции. Рекомендуется, чтобы, при отсутствии специальной информации по электромагнитной интерференции, предоставляемой производителем, экспозиция пользователей пейсмекеров и других электронных медицинских приборов поддерживалась на уровне не более 1 kV/m.
В Германии, в соответствии со стандартом DIN, профессиональная экспозиция не должна превышать напряженности статического электрического поля 40 kV/m. Для кратковременной экспозиции (до двух часов в день) разрешено использование более высокого лимита, равного 60 kV/m.
В 1993 году Национальный Совет по радиологической защите (NRPB 1993) дал совет по приемлемым ограничениям экспозиции людей электромагнитным полям и излучению. Эти ограничения охватывают как статические электрические, так и магнитные поля. В документе NRPB описаны уровни исследований по сравнению значений измеренных величин поля для определения того, достигнуто ли их соответствие основным лимитам. Если поле, воздействию которого подвергается человек, превышает соответствующий уровень исследования, то необходимо проверить его (поля) соответствие основным ограничениям. Факторы, которые могут учитываться при такой оценке, включают в себя, например, эффективность соединения человека с полем, пространственное распределение поля в объеме, занятом человеком, и длительность экспозиции.
По мнению NRPB, невозможно рекомендовать базовые ограничения для предотвращения возникновения прямых эффектов воздействия статических электрических полей на человека. Дается только рекомендация по предупреждению возникновения раздражающих эффектов прямого восприятия поверхностного электрического заряда и косвенных эффектов, например, электрического шока. Для большинства людей раздражающее восприятие поверхностного электрического заряда, ощущающееся прямо на теле, не возникает во время экспозиции статическому электрическому полю с напряженностью менее чем 25 kV/m, то есть такой же, как напряженность поля, рекомендованная ACGIH. Во избежание искровых разрядов (косвенных эффектов), вызывающих стресс, NRPB рекомендует ограничить контактные постоянные токи силой менее 2 mA. Электрический шок от источника с низким полным сопротивлением может быть предотвращен за счет создания процедур обеспечения электрической безопасности, соответствующих такому оборудованию.
Статические магнитные поля
Естественная и профессиональная экспозиция
Тело относительно прозрачно для статических магнитных полей. Такие поля взаимодействуют непосредственно с магнитно-анизотропными материалами (показывающих свойства с разными значениями при измерении вдоль осей в разных направлениях) и движущимися зарядами.
Естественное магнитное поле является суммой внутреннего поля, связанного с действием Земли как постоянного магнита, и внешнего поля, генерируемого в окружающей среде такими факторами, как солнечная активность или атмосферные помехи. Внутреннее магнитное поле Земли возникает из-за электрического тока, протекающего по верхнему слою земного ядра. Существуют значительные локальные различия в напряженности этого поля, средняя величина которого варьируется от, приблизительно, 28 A/m на экваторе (соответствуя плотности магнитного потока около 35 mT в немагнитном материале типа воздуха) до, примерно, 56 A/m на геомагнитных полюсах (что соответствует примерно 70 mT в воздухе).
Искусственные поля на много порядков сильнее полей естественного происхождения. Искусственные источники статического магнитного поля включают в себя все устройства, имеющие провода, переносящие прямой ток. К ним относятся многие виды промышленных устройств и оборудования.
Исследование магнитного поля, создаваемого проводником с переменным электрическим током Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
АЗИМУТАЛЬНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ / АКСИАЛЬНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ / ИНДУКЦИЯ / НАПРЯЖЕННОСТЬ / ИНДИКАТОРНАЯ КАТУШКА / АЗИМУТАЛЬНЕ МАГНіТНЕ ПОЛЕ / АКСіАЛЬНЕ МАГНіТНЕ ПОЛЕ / іНДУКЦіЯ / НАПРУЖЕНіСТЬ / іНДИКАТОРНА КАТУШКА / AXIAL MAGNETIC FIELD / INDUCTION / TENSION / AZIMUTH MAGNETIC FIELD / INDICATOR REEL
Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Антошко В. Я.
В статье рассмотрены магнитные поля диамагнетика, парамагнетика и ферромагнетиков. Дана классификация полей. Исследованы особенности аксиального магнитного поля ферромагнетиков
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Антошко В. Я.
Обоснование применения электромагнитного поля при производстве подсолнечного масла
Механизм воздействия на человека магнитного поля Земли и Солнца
Экспериментальные обоснования теории спинового парамагнетизма диспергированных сред
Теоретический анализ и экспериментальные измерения магнитной системы устройства активации воды переменным магнитным полем
О применении магнитного поля в процессах разрушения водонефтяных эмульсий
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Scientific research of a magnetic field created by conductor with an alternating current
The article describes the magnetic fields of diamagnetic, paramagnetic and ferromagnetic. The classification of the fields is given. The properties of the axial magnetic field of the ferro-magnetic were investigated
Текст научной работы на тему «Исследование магнитного поля, создаваемого проводником с переменным электрическим током»
Серiя: TexHÍ4HÍ науки
ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ, СОЗДАВАЕМОГО ПРОВОДНИКОМ С ПЕРЕМЕННЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
В статье рассмотрены магнитные поля диамагнетика, парамагнетика и ферромагнетиков. Дана классификация полей. Исследованы особенности аксиального магнитного поля ферромагнетиков.
Ключевые слова: азимутальное магнитное поле, аксиальное магнитное поле, индукция, напряженность, индикаторная катушка.
Антошко В.Я. До^дження магттного поля створюваного npoeidHUKOM Í3 змшним електричним струмом. У статт1 розглянут1 магттт поля д1амагнети-ка, парамагнетика i феромагнетиюв. Дана класифтащя пол1в. Досл1джент особ-ливост1 акаального магттного поля феромагнетиюв.
Ключовi слова: азимутальне магнтне поле, акаальне магнтне поле, тдукщя, на-пружемсть, тдикаторна катушка.
Antoshko V. YA. Scientific research of a magnetic field created by conductor with an alternating current. The article describes the magnetic fields of diamagnetic, paramagnetic and ferromagnetic. The classification of the fields is given. The properties of the axial magnetic field of the ferro-magnetic were investigated.
Keywords: azimuth magnetic field, axial magnetic field, induction, tension, indicator reel.
Постановка проблемы. Исследование магнитных полей проводников с переменным электрическим током промышленной частоты с целью их классификации. Анализ последних исследований и публикаций. Известно, что вокруг проводника с током создается магнитное поле, окружающее проводник в виде замкнутых силовых линий.
Вектор индукции B магнитного поля и проводник с током расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Математически индукция магнитного поля описывается законом Био-Савара-Лапласа [1].
В случае ферромагнетиков в отличие от диа-и парамагнетиков обнаружено наличие магнитного поля [2], которое направлено вдоль проводника с током, т.е. вектор индукции B этого поля совпадает с осью проводника. В литературе, научных работах по данному вопросу нет никакой дополнительной информации.
Таким образом, проводники с электрическим током создают два вида различных магнитных полей. По этой причине возникает необходимость ввести для них и соответствующие названия.
Магнитное поле, которое описывается законом Био-Савара-Лапласа, условно назовем азимутальным магнитным полем. Магнитное поле, направленное вдоль оси проводника, является аксиальным (от латинского слова axialis — осевой).
Цель статьи — состоит в исследовании характерных особенностей аксиальных магнитных полей, создаваемых проводниками с переменным электрическим током, с целью практического использования этих зависимостей.
Изложение основного материала. Для исследования использовались цилиндрические магнетики (диамагнетик, парамагнетик, ферромагнетик) в виде проволоки длиной 0,25 м., диаметром. 2мм. Азимутальные магнитные поля измерялись с помощью торроидальной индикаторной катушки, расположенной вокруг проводника. Аксиальные магнитные поля исследовались с помощью соленоида, намотанного на магнетик. Действующие значения Э.Д.С. индикаторных катушек и тока в магнетиках измерялись цифровым прибором Ф 4372. Индукция магнитных полей вычислялась по формуле:
канд. техн.. наук, доцент, Азовский морской тститут Одесской национальной морской академии, г. Мариуполь
Серiя: Технiчнi науки
где 8 — э.д.с. индикаторной катушки;
V — частота переменного тока 50 гц.;
N — число витков индикаторной катушки.
Для определения напряженности аксиального магнитного поля, создаваемого ферромагнетиком с электрическим током, каждое значение э.д.с. индикаторной катушки идентифицировалось с помощью внешнего переменного магнитного поля с заданной напряженностью. Для этого ферромагнетик обесточивался, а необходимая э.д.с. индикаторной катушки наводилась за счет внешнего магнитного поля, напряженность которого оценивалась по формуле:
где п — число витков, приходящееся на единицу длины катушки, создающей внешнее магнитное поле;
I — переменный электрический ток.
Исследования ферромагнетиков проводились с использованием переменного электрического тока промышленной частоты. Ферромагнетик перед каждым измерением размагничивался.
Результаты исследований свидетельствуют о том, что зависимость индукции азимутальных магнитных полей от силы переменного электрического тока является одинаковой как для диа -и парамагнетика, так и ферромагнетика и не зависит от их физических свойств в случае линейного проводника (табл.1). Значит, азимутальные магнитные поля магнетиков, как и вытекает из закона Био-Савара-Лапласа, зависят только от величины электрического переменного тока, а не от особенностей внутреннего строения вещества.
Зависимость азимутальных магнитных полей магнетиков от величины переменного
Сила перем. эл.тока в магнетиках I, А Типы магнетиков
Диамагнетик Парамагнетик Ферромагнетик
Индукция азимутального магнитного поля В, Тл Индукция азимутального магнитного поля В, Тл Индукция азимутального магнитного поля В, Тл
1 0,6 -10 4 0,6 -10 ^ 0,6 -10 4
2 1,4 -10 ~4 1,4 -10 ~4 1,4 -10 ~4
3 2,18 -10 ~4 2,15 -10 ~4 2,15 -10 ~4
4 2,88 -10 ~4 2,91 -10 ~4 2,88 -10 ~4
5 3,72 -10 ~4 3,72 -10 ~4 3,72 -10 ~4
6 4,33 -10~4 4,36 -10 ~4 4,33 -10~4
7 5,09 -10 ~4 5,06 -10 ~4 5,09 -10 ~4
8 5,81 -10 ~4 5,81 -10 ~4 5,84 -10 ~4
9 6,45 -10 ~4 6,48 -10 4 6,48 -10 4
Впервые установлено, что только ферромагнетики, через которые проходит переменный электрический ток, способны создавать аксиальные магнитные поля (Табл. 2), которые имеют ряд характерных особенностей. Они зависят от степени деформации ферромагнетика, от его остаточной намагниченности, от ориентации ферромагнетика относительно магнитного поля Земли и других факторов.
При расположении ферромагнетика поперек магнитного поля Земли индукция аксиального магнитного поля составит 2 -10 3 Тл. Изменение ориентации ферромагнетика вдоль магнитного поля Земли увеличивает индукцию аксиального магнитного поля до 2,2 -10 2 Тл. (Рис. 1).
Следует отметить, что чувствительность аксиальных магнитных полей ферромагнетиков превосходит чувствительность существующих устройств для измерения магнитных полей, ис-
пользующих продольное намагничивание ферромагнетика с помощью обмотки возбуждения
Зависимость аксиального магнитного поля ферромагнетика от величины переменного электрического тока
Сила перем. Типы магнетиков
эл.тока в Си А1 Ст. 20
магнетиках Диамагнетик Парамагнетик Ферромагнетик
I, А Индукция азимутального магнитного поля В, Тл Индукция азимутального магнитного поля В, Тл Индукция азимутального магнитного поля В, Тл
1 0 0 9,078 • 10 4
2 0 0 11,311 • 10 4
3 0 0 12,816 • 10 4
4 0 0 14,951 • 10 ~4
5 0 0 17,379 • 10 ~4
6 0 0 19,951 • 10 ~4
7 0 0 22,039 • 10 ~4
8 0 0 23,883 -10~4
9 0 0 25,437 • 10 ~4
Угол ориентации ферромагнетика Сила электрического тока в ферромагнетике, I,
Рис.1 — Зависимость индукции аксиально- Рис.2 — Зависимость напряженности аксиально-
го магнитного поля ферромагнетика от его ори- го магнитного поля ферромагнетика от величины пе-ентации относительно магнитного поля Земли ременного электрического тока
При этом, в силу отмеченных особенностей, устройства для получения аксиальных магнитных полей отличаются достаточной простотой.
Для оценки аксиальных магнитных полей ферромагнетиков, кроме индукции магнитного поля необходимо знать и напряженность Н, т.е. параметр, характеризующий магнитное поле макротоков.
Полученная зависимость напряженности Н аксиального магнитного поля от величины переменного электрического тока в ферромагнетике имеет характерный вид с выраженной точ-
кой перегиба при значении тока 0,7А (Рис. 2).
Эта зависимость может быть описана следующими математическими выражениями. В интервале значений электрического переменного тока от 0 до 0,7А зависимость описывается выражением:
где а — некоторая постоянная величина.
Для токов в интервале от 0,7А до 6,6А эмпирическая зависимость напряженности аксиального магнитного поля принимает вид:
Для данного ферромагнетика (сталь 20, 02 мм) постоянные величины имеют следующие значения:
а = 3,271 —; Ь = 1,75 —; с = 0,933 —
Характерным оказалось и влияние внешнего постоянного магнитного поля на индукцию аксиального магнитного поля ферромагнетика. В начале процесса индукция переменного аксиального поля резко возрастает с увеличением напряженности постоянного внешнего магнитного поля, а, достигнув некоторого максимального значения, начинает постепенно уменьшаться, примерно, до первоначального уровня. Дальнейшее увеличение напряженности постоянного магнитного поля приводит к постепенному незначительному увеличению индукции аксиального переменного магнитного поля ферромагнетика (Рис. 3).