Как сделать магнитное поле: Электромагнит в домашних условиях

Содержание

Изолятор для магнита и экранирование магнитного поля

Уважаемые клиенты!

Продолжаем отвечать на ваши вопросы. Вы часто спрашиваете как сделать так, чтобы два магнита, находящиеся рядом друг с другом, не чувствовали присутствие друг друга? Какой материал нужно разместить между ними, чтобы силовые линии магнитного поля от одного магнита не достигали бы второго магнита?

Этот вопрос не такой тривиальный, как может показаться на первый взгляд. Нам нужно по-настоящему изолировать два магнита. То есть, чтобы эти два магнита можно было по-разному поворачивать и по разному перемещать их относительно друг друга и тем не менее, чтобы каждый из этих магнитов вёл себя так, как будто бы другого магнита рядом нет. Поэтому всякие фокусы с размещением рядом третьего магнита или ферромагнетика, для создания какой-то особой конфигурации магнитных полей с компенсацией всех магнитных полей в какой-то одной отдельно взятой точке, принципиально не проходят.

Иногда ошибочно думают, что таким изолятором магнитного поля может служить диамагнетик. Но это не верно. Диамагнетик действительно ослабляет магнитное поле. Но он ослабляет магнитное поле только в толще самого диамагнетика, внутри диамагнетика. Поэтому, если один из магнитов (или оба) замуровать в куске диамагнетика, тогда их притяжение или их отталкивание действительно ослабеет.

Но это не является решением проблемы. Во-первых, силовые линии одного магнита всё равно будут достигать другого магнита, то есть магнитное поле только уменьшается, но не исчезает совсем. Во-вторых, если магниты замурованы в толще диамагнетика, то мы не можем их двигать и поворачивать.

А если сделать из диамагнетика просто плоский экран, то этот экран будет пропускать сквозь себя магнитное поле. Причем, за этим экраном магнитное поле будет точно такое же, как если бы этого диамагнитного экрана не было бы вообще.

А это говорит о том, что даже замурованные в диамагнетик магниты не испытают на себе ослабления магнитного поля.

В самом деле, ведь там, где находится замурованный магнит, прямо в объеме этого магнита диамагнетик попросту отсутствует. А раз там, где находится замурованный магнит, отсутствует диамагнетик, то значит, оба замурованных магнита на самом деле взаимодействуют друг с другом точно также, как если бы они не были замурованы в диамагнетике. Диамагнетик вокруг этих магнитов также бесполезен, как и плоский диамагнитный экран между магнитами.

Нам нужен такой материал, который бы, вообще, не пропускал через себя силовые линии магнитного поля. Нужно чтобы силовые линии магнитного поля выталкивались их такого материала. Если силовые линии магнитного поля проходят через материал, то, за экраном из такого материала, они полностью восстанавливают свою силу. Это следует из закона сохранения магнитного потока. Единственный материал, который выталкивает из себя силовые линии магнитного поля, это сверхпроводник.

На поверхности сверхпроводника вектор напряженности магнитного поля всегда направлен вдоль этой поверхности по касательной к поверхности сверхпроводящего тела. На поверхности сверхпроводника вектор магнитного поля не имеет составляющую, направленную перпендикулярно поверхности сверхпроводника. Поэтому силовые линии магнитного поля всегда огибает сверхпроводящее тело любой формы.

Но это совсем не означает, что если между двумя магнитами поставить сверхпроводящий экран, то он решит поставленную задачу. Дело в том, что силовые линии магнитного поля магнита пойдут к другому магниту в обход экрана из сверхпроводника. Поэтому от плоского сверхпроводящего экрана будет только ослабление влияния магнитов друг на друга. Это ослабление взаимодействия двух магнитов будет зависеть от того, на сколько увеличилась длина силовой линии, которая соединяет два магнита друг с другом. Чем больше длины соединяющих силовых линий, тем меньше взаимодействие двух магнитов друг с другом.

Это точно такой же эффект, как если увеличивать расстояние между магнитами без всякого сверхпроводящего экрана. Если увеличивать расстояние между магнитами, то длины силовых линий магнитного поля тоже увеличиваются. Значит, для увеличения длин силовых линий, которые соединяют два магнита в обход сверхпроводящего экрана, нужно увеличивать размеры этого плоского экрана и по длине и по ширине. Это приведет к увеличению длин обходящих силовых линий. И чем больше размеры плоского экрана по сравнению с расстоянием между магнитами, тем взаимодействие между магнитами становится меньше.

Взаимодействие между магнитами полностью исчезает только тогда, когда оба размера плоского сверхпроводящего экрана становятся бесконечными. Это аналог той ситуации, когда магниты развели на бесконечно большое расстояние, и поэтому длина соединяющих их силовых линий магнитного поля стала бесконечной.

Теоретически, это, конечно, полностью решает поставленную задачу. Но на практике мы не можем сделать сверхпроводящий плоский экран бесконечных размеров. Хотелось бы иметь такое решение, которое можно осуществить на практике в лаборатории или на производстве. (Про бытовые условия речи уже не идет, так как в быту невозможно сделать сверхпроводник. )

По другому, плоский экран бесконечно больших размеров можно интерпретировать как разделитель всего пространства на две части, которые не соединены друг с другом. Но пространство на две части может разделить не только плоский экран бесконечных размеров. Любая замкнутая поверхность делит пространство тоже на две части, на объем внутри замкнутой поверхности и объем вне замкнутой поверхности. Например, любая сфера делит пространство на две части: шар внутри сферы и всё, что снаружи.

Поэтому сверхпроводящая сфера является идеальным изолятором магнитного поля. Если поместить магнит в такую сверхпроводящую сферу, то никогда никакими приборами не удается обнаружить, есть ли внутри этой сферы магнит или его там нет.

И, наоборот, если Вас поместить внутрь такой сферы, то на Вас не будут действовать внешние магнитные поля. Например, магнитное поле Земли невозможно будет обнаружить внутри такой сверхпроводящей сферы никакими приборами. Внутри такой сверхпроводящей сферы можно будет обнаружить только магнитное поле от тех магнитов, которые будут находиться тоже внутри этой сферы.

Таким образом, чтобы два магнита не взаимодействовали друг с другом надо один из этих магнитов поместить вовнутрь сверхпроводящей сферы, а второй оставить снаружи. Тогда магнитное поле первого магнита будет полностью сконцентрировано внутри сферы и не выйдет за пределы этой сферы. Поэтому второй магнит не почувствует присутствие первого. Точно также магнитное поле второго магнита не сможет залезть вовнутрь сверхпроводящей сферы. И поэтому первый магнит не почувствует близкое присутствие второго магнита.

Наконец, оба магнита мы можем, как угодно поворачивать и перемещать друг относительно друга. Правда, первый магнит ограничен в своих перемещениях радиусом сверхпроводящей сферы. Но это только так кажется. На самом деле взаимодействие двух магнитов зависит только лишь от их относительного расположения и их поворотов вокруг центра тяжести соответствующего магнита. Поэтому достаточно разместить центр тяжести первого магнита в центре сферы и туда же в центр сферы поместить начало координат. Все возможные варианты расположения магнитов будут определяться только всеми возможными вариантами расположения второго магнита относительно первого магнита и их углами поворотов вокруг их центров масс.

Следите за новостями!

Материал взят с сети интернет: http://www.quarkon.ru/physics/supermag.htm

Как сделать электромагнит — блог Мира Магнитов

Электромагнит, в отличие от постоянного магнита, приобретает свои свойства только под воздействием электрического тока. С его помощью он меняет силу притяжения, направление полюсов и некоторые другие характеристики.

Некоторые увлеченные механикой люди самостоятельно делают электромагниты, чтобы использовать их в самодельных установках, механизмах и разнообразных конструкциях. Сделать электромагнит своими руками несложно. Используются простые приспособления и подручные материалы.

Самый простой набор для изготовления электромагнита

Что понадобится:

Один железный гвоздь 13-15 см. в длину или иной металлический предмет, который и станет сердечником электромагнита.
Около 3 метров изолированной медной проволоки.
Источник электропитания — аккумуляторная батарея или генератор.
Небольшие провода для контакта провода с батарейкой.
Изолирующие материалы.

Если вы используете более крупную металлическую заготовку для создания магнита, то количество медной проволоки должно пропорционально увеличиваться. Иначе магнитное поле получится слишком слабым. Сколько именно понадобится обмотки, точно ответить нельзя. Обычно мастера выясняют это экспериментальным путем, увеличивая и уменьшая количество проволоки, параллельно измеряя изменения магнитного поля. Из-за избытка проволоки сила магнитного поля тоже становится меньше.

Пошаговая инструкция

Следуя простым рекомендация, вы легко сделаете электромагнит самостоятельно.

Зачищаем концы медного провода

Шаг 1

Очистите от изоляции концы медного провода, который будете наматывать на сердечник. Достаточно 2-3 см. Они понадобятся, чтобы соединить медную проволоку с обычной, которая в свою очередь будет подключаться к источнику питания.

Наматываем медный провод вокруг гвоздя

Шаг 2

Вокруг гвоздя или другого сердечника аккуратно намотайте медный провод так, чтобы витки были расположены параллельно друг к другу. Делать это необходимо только в одном направлении. От этого зависит расположение полюсов будущего магнита. Если вы захотите изменить их расположение, то можно просто перемотать проволоку в другом направлении. Не выполнив этого условия, вы добьетесь того, что магнитные поля различных секций будут воздействовать друг на друга, из-за чего сила магнита будет минимальной.

Подсоединяем провод к батарейке

Шаг 3

Концы очищенного медного провода соедините с двумя заранее подготовленными обычными проводками. Соединение заизолируйте, а один конец проводка подключите к клемме положительного заряда на аккумуляторе, а другой — на противоположный конец. Причем неважно, какой проводок к какому концу будет подключен — это не отразится на эксплуатационных возможностях электромагнита. Если все сделано правильно, то магнит сразу же начнет работать! Если у аккумулятора есть реверсивный способ подключения, то вы сможете изменить направление полюсов.

Электромагнит работает!

Как повысить силу магнитного поля

Если полученный магнит кажется вам недостаточно мощным, попробуйте увеличить количество витков медного провода. Не забывайте о том, что, чем дальше расположены провода от железной сердцевины, тем меньше будет воздействие их на металл. Другой способ — подключить более мощный источник питания. Но и тут нужно быть осторожнее. Слишком сильный ток разогреет сердечник. При высоком нагреве плавится изоляция, и электромагнит может стать опасным.

Подключили мощный источник питания – магнит стал мощнее

Есть смысл поэкспериментировать с сердечниками. Возьмите более толстое основание — металлический брусок шириной 2-3 см.

Узнать, насколько мощный получился электромагнит, позволит специальный прибор, измеряющий силу магнитного поля. С его помощью и методом экспериментов вы найдете золотую середину в создании электромагнита.

Магнитные аксессуары могут вызывать помехи на камерах iPhone

Магниты, встроенные в некоторые аксессуары iPhone, могут создавать магнитные поля, которые влияют на работу камер, расположенных на задней панели iPhone. В этой статье описано, какие действия нужно предпринять, чтобы избежать такого эффекта.

С помощью камер iPhone можно делать отличные снимки даже в неблагоприятных для съемки условиях. Если в процессе фотосъемки вы случайно сместите камеру, изображение может получиться размытым. Чтобы избежать этого, в некоторых моделях iPhone используется технология оптической стабилизации изображения (OIS).¹. OIS позволяет делать четкие снимки, даже если камера случайно смещается. Кроме того, некоторые модели iPhone оснащены функцией замкнутой автофокусировки.². Эта функция противодействует гравитации и вибрации, сохраняя четкую фокусировку при фото- и видеосъемке, а также съемке панорамных видов.

Благодаря функции оптической стабилизации изображения гироскоп распознает, когда камера смещается: Чтобы уменьшить смещение изображения и получающуюся в результате этого размытость, объектив двигается в соответствии с углом гироскопа. А благодаря функции замкнутой автофокусировки встроенные акселерометры измеряют уровни воздействия гравитации и вибрации и компенсируют их. Магнитные датчики определяют положение объектива и нужным образом регулируют компенсирующее движение.

Сильное магнитное поле может стать помехой функциям оптической стабилизации изображения и замкнутой автофокусировки

Датчики положения объектива реагируют на магнитные поля. Если рядом с этими датчиками разместить магнит, магнитное поле будет влиять на их работу или временно выводить их из строя. Это может ухудшить их точность и ограничить доступный диапазон движения объектива. Камера будет задействовать другие средства стабилизации при съемке, но не функции оптической стабилизации изображения и замкнутой автофокусировки.

Как избежать магнитных помех

Некоторые аксессуары сторонних производителей оснащены мощными магнитами или намагничиваемыми металлическими пластинами, расположенными рядом с камерой (или камерами) на задней панели iPhone. Эти магниты и пластины можно крепить на чехлы-книжки или съемные чехлы либо на крепления с фиксаторами, например автомобильные. Чтобы обеспечить оптимальную работу камеры, не используйте аксессуары, в состав которых входят магниты или магнитные металлы, рядом с камерой (или камерами) на задней панели iPhone.

Если камера все равно не работает

1. Система OIS доступна на iPhone 6 Plus, iPhone 6s Plus, iPhone 7 и более поздних моделях, включая iPhone SE (2-го поколения). Обратите внимание, что сверхширокоугольная камера на iPhone 11 и более поздних моделях, а также телеобъектив на iPhone 7 Plus и iPhone 8 Plus не оборудованы системой OIS.
2. Функция замкнутой автофокусировки поддерживается на iPhone XS и более поздних моделях, включая iPhone SE (2-го поколения).

Информация о продуктах, произведенных не компанией Apple, или о независимых веб-сайтах, неподконтрольных и не тестируемых компанией Apple, не носит рекомендательного или одобрительного характера. Компания Apple не несет никакой ответственности за выбор, функциональность и использование веб-сайтов или продукции сторонних производителей. Компания Apple также не несет ответственности за точность или достоверность данных, размещенных на веб-сайтах сторонних производителей. Обратитесь к поставщику за дополнительной информацией.

Дата публикации: 29 ноября 2021 г.

Материалы (экраны) для защиты от магнитных и электромагнитных полей

Отрасли применения:

Электроника.
Энергетика.
Строительство.
Медицина.

Области применения:

Экранирование жилых и нежилых помещений.
Экранирование трансформаторных станций.
Создание магнитноэкранированных комнат для научно-исследовательских центров.
Экранирование силовых кабелей, создание кабель каналов.
Экранированные боксы для проведения медико-биологических исследований.
Защитная одежда для проведения сварочных работ.

Назначение:

Защита электронной аппаратуры, компьютерной техники, прецизионных приборных комплексов и биологических объектов от магнитного поля промышленной частоты и электромагнитного поля радиочастотного диапазона.

Экраны магнитных полей промышленной частоты

Описание:

Этот вид экранов применяют в том случае, когда необходимо исключить влияние магнитного поля на чувствительные элементы электронной техники, а также на биологические объекты. Принцип защиты заключается в замыкании силовых линий магнитного поля в толще материала и исключение их проникновения из внешнего пространства внутрь замкнутого объема или из замкнутого объема во внешнее пространство.

ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» разработана технология изготовления таких экранов в виде гибких полотен из лент аморфных и нанокристаллических магнитомягких сплавов, прошедших специальную термомагнитную обработку.

Технические характеристики:

Ширина – от 5 до 50 см;
Длина – до 150 м;
Толщина одного слоя – от 20 до 30 мкм.
Масса 1 м² в однослойном исполнении – менее 0,3 кг
Коэффициент экранирования в диапазоне частот (50 – 1000 Гц)* – от 10 до 1000.
* зависит от напряженности магнитного поля и конструкции экрана.

Преимущества

Имеется санитарно-эпидемиологическое заключение ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в г. С.Петербурге» о том, что экранирующий материал соответствует государственным санитарно эпидемиологическим правилам и нормам.
По сравнению с традиционными экранирующими материалами (пермаллои, ферриты и т.п.), эффективность экранирования существенно выше при условии использования одного и того же количества магнитного материала.
Разрабатываемые экраны более технологичны и просты в применении за счет малой толщины и гибкости, а также менее чувствительны к механическим напряжениям.

Предложения по сотрудничеству:

Техническая и технологическая документация на технологию изготовления экранов магнитных полей промышленной частоты.
Адаптация технологии под требования Заказчика.
Совместная разработка новых типов экранов. Изготовление и поставка продукции.

Экраны электромагнитных полей

Описание:

Подобные экраны применяются в тех случаях, когда для защиты технических средств или биологических объектов необходимо обеспечить отсутствие отраженной электромагнитной волны или высокое ослабление в толщине материала.

Экраны выполняются в виде листового металлодиэлектрического композита с наполнителем из порошка аморфного и нанокристаллического магнитомягкого сплава (получение порошка при помощи УДА – технологии).

Изготавливаются в виде однослойных или многослойных функционально-градиентных композитов, ячеистых и объемно пористых структур интерференционного типа.

Экраны выпускаются, соответственно, в двух модификациях: экранирующего и поглощающего типов.

На разработанные материалы выпущены технические условия ТУ 38Л405-365-2004

Технические характеристики:

Ширина – до 25 см.
Длина – до 25 см.
Толщина одного слоя – от 1 до 15 мм.
Фракционный состав аморфного порошка – от 3 до 200 мкм.
Масса 1 м² экрана –от 3 до 45 кг.
Коэффициент ослабления электромагнитных полей (1 – 1000 МГц) – более 10 дБ/мм.
Коэффициент отражения по мощности (1 – 1000 МГц) – менее 10 дБ.

Преимущества:

Существенно более широкий диапазон экранирования и поглощения электромагнитных излучений.

Правовая защита: Имеются патенты РФ:

«Композиционный материал для защиты от электромагнитного излучения»;
«Способ получения магнитного и электромагнитного экрана»;
« Аморфный сплав для литья микропроводов»;
«Силовой кабель с электромагнитным экраном»;
«Экранированный бокс с защищенным от внешнего эл.магнитного воздействия внутренним объемом»;
«Способ получения композиционного порошкового магнитного материала системы»;
«Ферромагнетик-диамагнетик».

Предложения по сотрудничеству:

Техническая и технологическая документация на технологию изготовления экранов электромагнитных полей.
Адаптация технологии под требования Заказчика.
Совместная разработка новых типов экранов.
Изготовление и поставка продукции.
Поставка партий порошков.

Форма запроса

Вы можете отправить запрос на данную разработку, заполнив следующую форму:

Сила и слабость постоянных магнитов – Энергетика и промышленность России – № 7 (59) июль 2005 года – WWW.EPRUSSIA.RU

Газета “Энергетика и промышленность России” | № 7 (59) июль 2005 года

Поскольку электрический ток (его свойства) – следствие движения электрических зарядов, а последние перемещаются относительно других неподвижных зарядов, возникают различные электрические взаимодействия. Что же следует понимать под «чистым» электрическим током?

Чистым или нейтральным током можно, по всей видимости, назвать ситуацию, когда имеются условно удаленные от других заряды, состоящие из равного количества отрицательно и положительно заряженных частиц, одни из которых двигаются относительно других в преобладающем направлении. Именно взаимное движение зарядов противоположного знака друг относительно друга – и есть нейтральный ток. Другие варианты движения зарядов, допустим, с преобладанием зарядов одного знака, будут в своем роде производными от нейтрального тока и соответственно иметь некоторые особенности электрических взаимодействий.

Во многих ситуациях мы имеем дело далеко не с нейтральными токами, поскольку существуют как неравномерное распределение зарядов по длине проводников с током, так и скачки напряженности электрического поля на некоторых границах проводников (наличие вызывающего ток ЭДС и т. п.). Поэтому для изучения свойств нейтрального тока следует пользоваться либо кольцевым сверхпроводником с током, либо постоянными магнитами, которые в данном случае условно можно рассматривать как систему с кольцевым нейтральным током.

Кольцевые токи магнитов

Рассматривая постоянные магниты, как кольцевые нейтральные токи, можно сделать некоторые общие замечания. Электрический кольцевой ток поддерживается без внешней подпитки достаточно длительное время. Процесс протекания нейтрального тока не сопровождается тепловыделением или электромагнитными излучениями (просто поддерживается тепловой баланс с окружающей средой и телом постоянного магнита).

Несмотря на то что «магнитные» нейтральные кольцевые токи, будем считать, постоянны по величине, при взаимодействии магнитов между собой возникают ситуации, когда возможны как некоторые переходные процессы, так и взаимное влияние токов друг на друга. Другими словами, возникает явление электрической взаимной индукции.

Взаимная индукция двух контуров с током при наличии магнитной связи достаточно подробно описана в литературе. Известно, что энергия двух контуров с током, обладающих магнитной связью, отличается от суммы собственных энергий токов на величину взаимной энергии двух токов. Распространяя это правило на взаимодействие постоянных магнитов, можно сказать, что энергия системы магнитов отличается от суммарной энергии каждого магнита. Это понятно, поскольку при сближении или удалении магнитов происходит механическая работа.

Но так ли постоянны по величине эквивалентные круговые токи постоянных магнитов? Действительно, они представляют, упрощенно, сумму огромного числа элементарных молекулярных токов. Но в отличие от прочих материальных тел постоянный магнит имеет внешнее и внутреннее магнитное поле, которое «связывает» все элементарные токи, и каждый круговой ток реагирует на колебания остальных, как и они в свою очередь на его колебания. Другими словами, в постоянном магните все элементарные токи представляют как бы единый «организм», что и делает его собственно постоянным магнитом. Если разрушить данный «организм» и каждый элементарный ток начнет независимое «существование», магнитные свойства у данного объекта пропадают.

Вращение – залог эффективности

В группе из трех магнитов средний магнит «модулирует» суммарное магнитное поле всех трех магнитов. Причем максимум плотности смещается в одну сторону, а с противоположной стороны магнитное поле практически отсутствует. При изменении магнитной силы среднего магнита происходит плавное изменение суммарного поля, причем плотность магнитного потока как бы перемещается на другую сторону.

Что в конечном итоге это дает? Поскольку средний магнит можно просто вращать, будет происходить и перемещение максимума плотности суммарного магнитного потока по кругу, равное частоте вращения среднего магнита. Другими словами, один средний магнит может управлять суммарным полем, которое складывается из силы трех магнитов. Причем при вращении среднего магнита не происходит изменения суммарной энергии магнитного поля, т. е. вращение среднего магнита происходит без затрат энергии.

Вращающийся или меняющий свое направление максимум магнитного потока можно использовать в различных устройствах – начиная от простейших вариантов насосов и заканчивая двигателями или генераторами. Все устройства будут отличаться высокой эффективностью и низким энергопотреблением.

Конечно, вращение среднего постоянного магнита – не единственный вариант практического использования группы из трех постоянных магнитов в генераторах или двигателях. Данный средний магнит можно заменить на электромагнит, через обмотку которого пропускают переменный ток различной формы (в зависимости от назначения или конструкции).

Наибольший интерес представляет использование этого эффекта в двух видах двигателей: с линейным возвратно-поступательным движением и вращательных. Момент вращения таких двигателей может достигать значительных величин при относительно небольших рабочих оборотах.

Где можно использовать постоянные магниты?

Одной из особенностей двигателей с активным использованием постоянных магнитов является возможность использования электрического резонанса. Поскольку управляющий электромагнит периодически меняет полярность, т. е. питается переменным током, от частоты которого зависят обороты (в случае вращательного двигателя) в соотношении 1 / К, где К – число полюсов, электромагниты можно включить в состав колебательного контура с емкостью. Соединение электромагнитов может быть последовательное, параллельное или комбинированное, а емкость подбирается по резонансу на рабочей частоте двигателя, при этом среднее значение тока, проходящего через электромагниты, будет большим, а внешняя подпитка по току будет компенсировать в основном активные потери.

Данный режим работы будет наиболее привлекательным с точки зрения экономичности, а двигатель, в котором он используется, будет называться магнитно-резонансный шаговый. Обороты двигателя в этом случае практически не зависят от нагрузки и определяются частотой электрического резонанса, разделенного на число полюсов, несмотря на увеличение потребляемого тока при увеличении нагрузки. С целью повышения рабочих оборотов возможно применение многофазных схем питания электромагнитов двигателей. Среднее ожидаемое снижение потребляемой электрической энергии данными магнитно-резонансными шаговыми двигателями может достигать 60‑75 % по сравнению с обычными электрическими двигателями. Подобные двигатели отличаются большим моментом вращения, достаточно жесткой нагрузочной характеристикой, стабильной частотой вращения, высокой надежностью (якорь не имеет токонесущих элементов), отсутствием подвижных контактов и искрения и т. п., поэтому область их применения будет иметь свои особенности.

Несмотря на это, они могут превосходить по некоторым параметрам как трехфазные асинхронные и синхронные машины, так и коллекторные двигатели постоянного тока. Одно из основных преимуществ – низкое энергопотребление.

Генератор с повышенным КПД

Применение постоянных магнитов эффективно, например, в конструкции электрического генератора с неподвижным ротором. Достоинство подобных генераторов – отсутствие подвижных частей, высокая надежность, экономичность, простота конструкции. Применение магнитных материалов с особыми свойствами позволит получить еще большую экономичность. Среднее сокращение энергозатрат при производстве электроэнергии на генераторах такого типа может достигать 50% и более.

В основе их конструкции лежит принцип модуляции суммарного магнитного поля трех постоянных магнитов средним магнитом, в качестве которого выступает электромагнит. Применение постоянных магнитов позволяет достичь снижения энергетических затрат при генерации электрической энергии.

Магнитная система данного генератора представляет в общем виде «крест в кольце», где одна из перекладин креста представляет собой постоянные магниты, а другая – электромагнит управления, катушка которого может быть разбита на две части или использоваться в виде единой катушки. Кольцо представляет собой магнитопровод с низкими потерями на вихревые токи, на котором располагаются 4 рабочие обмотки (выходные обмотки), соединение которых осуществляется попарно. Выходное напряжение имеет удвоенную частоту по отношению к частоте тока, питающего электромагнит управления.

Если при работе обычного генератора (с вращающимся ротором) неизменный магнитный поток ротора (постоянные магниты или электромагнит), вращаясь от приводного внешнего двигателя, периодически изменяет магнитный поток в статорных обмотках, то увеличиваются механические затраты со стороны приводного двигателя.

В случае с неподвижным ротором отсутствуют потери на трение и противодействующий вращательный момент приводного двигателя. По сути это особый вид трансформаторного преобразователя с дополнительной подпиткой от магнитного поля постоянных магнитов. В процессе преобразования входного переменного тока происходит удвоение частоты выходного тока. Поскольку магнитное поле постоянных магнитов не меняет своего направления – происходит лишь периодическое перераспределение его по секторам кольца ‑то оно активно работает, вкладывая свой «вклад» в генерацию ЭДС.

Магнитный поток управляющей или первичной обмотки электромагнита меняет знак, т. е. происходит процесс, аналогичный процессу простого трансформатора. КПД трансформаторного преобразования достаточно велик. Другими словами, мы получаем трансформатор-удвоитель частоты с повышенным КПД.

Что в конечном итоге это дает? Получается, что входная мощность как минимум меньше выходной. Превышение выходной мощности над входной происходит за счет энергии постоянных магнитов, которые, в отличие от привычной схемы генерации, неподвижны.

Дополнительные возможности данного генератора можно получить, применив для кольцевого сердечника статора магнитные материалы с особыми свойствами.
К недостаткам устройства можно отнести следующее: удвоение частоты выходного напряжения, некоторую сложность изготовления магнитопроводов и обмоток, необходимость компенсационных обмоток для задания необходимой нагрузочной характеристики. Максимальная мощность определяется в основном энергией применяемых постоянных магнитов, от которых зависят все остальные параметры.

Для создания трехфазного тока можно применить либо 3 подобных преобразователя (питание управляющих обмоток синхронизировано), либо аналогичную конструкцию, изготовленную в трехфазном варианте.

Оптимизация расстояния между витками катушки индуктивности

При разработке электромагнитных катушек может потребоваться настроить положение витков, чтобы обеспечить магнитное поле желаемой величины в определенной области в пространстве. Это можно сделать в программном пакете COMSOL Multiphysics® при использовании функционала модулей AC/DC и Оптимизация для совокупной оптимизации параметров и формы. Давайте разберем такую постановку подробнее.При разработке электромагнитных катушек может потребоваться настроить положение витков, чтобы обеспечить магнитное поле желаемой величины в определенной области в пространстве. Это можно сделать в программном пакете COMSOL Multiphysics® при использовании функционала модулей AC/DC и Оптимизация для совокупной оптимизации параметров и формы. Давайте разберем такую постановку подробнее.

Исходная модель катушки и постановка задачи оптимизации

Предположим, что наша задача — разработать такую катушку, при которой величина магнитного поля на отрезке осевой линии будет максимально близка к целевой величине. Как мы уже обсудили в предыдущей статье, этого можно добиться, задав разные значения тока, протекающего по каждому витку катушки. Однако для это подразумевало добавление в физическую модель отдельных элементов управления током для каждого витка. Вместо этого можно использовать источник для всей катушки и менять расстояние между витками катушки в осевом направлении.

Осесимметричная катушка с десятью витками. Цель задачи — изменить магнитное поле на отрезке осевой линии (выделен зеленым цветом).

Исходная геометрия катушки и постановка задачи показаны на рисунке выше. Осесимметричная катушка с десятью витками питается от единого источника тока: по каждому витку идет один и тот же ток. В исходной модели витки катушки диаметром 1 см расположены на одинаковом расстоянии S₀ = 4 см друг от друга. Используем оссеметричную постановку с дополнительной симметрией, т.к. нас интересуют только решения, симметричные на плоскости z = 0.

Схема расчетной области для модели. Мы будем менять положение пяти витков и проходящий через катушку ток.

Цель нашей оптимизации — сделать осевую компоненту магнитного поля (B_z) наиболее близким к целевому значению B₀ вдоль отрезка осевой линии, меняя ток через катушку и z-координаты пяти витков.2 d l \\
& \text{subject to:}
& & -(S_0-G_0)/2 \le \Delta Z_1 \leq \Delta Z_{max}\\
& & & -\Delta Z_{max} \leq \Delta Z_2, \ldots ,\Delta Z_5 \leq \Delta Z_{max}\\
& & & G_0 \le (Z_5-Z_4) \\
& & & G_0 \le (Z_4-Z_3) \\
& & & G_0 \le (Z_3-Z_2) \\
& & & G_0 \le (Z_2-Z_1) \\
& & & 0 \leq I \leq I_{max}\\
\end{aligned}

Решим эту задачу путем совокупной оптимизации параметров и формы с помощью интерфейсов Optimization (Оптимизация) и Deformed Geometry (Деформированная геометрия) в COMSOL Multiphysics.

Настройка и решение задачи оптимизации в COMSOL Multiphysics®

Можно начать с рассмотрения разработанной ранее модели, в которой выполняется схожая оптимизация для достижения определенного значения магнитного поля вдоль оси. Мы также используем аналогичные настройки: интерфейс Optimization (Оптимизация) и опцию Integral Objective (Интегральная целевая функция), назначение которых описано в предыдущей статье. Затем используем два узла Global Control Variable (Глобальные контрольные переменные). В первом описываем пределы для смещений каждого из пяти витков, а с помощью опции Control Variables Scaling (Масштабирование управляющих переменных) перенормируем их так, чтобы они были близки к единице. Во втором узле Global Control Variables аналогичным образом задаем настройки для контрольной переменной тока.

Определения переменных, управляющих положением пяти витков.

Пять управляющих переменных, показанных на снимке экрана выше, определяют смещения витков и небольшой квадратной области вокруг каждого витка, показанной зеленым цветом на следующей иллюстрации. Поскольку эти зеленые области перемещаются вверх и вниз, окружающие их желтые области должны подстраиваться, растягиваясь и сжимаясь, в то время как внешняя окружающая голубая область будет оставаться неизменной. Т.к. нам известно смещение зеленых областей, мы можем задать линейное изменение смещения вдоль всех красных ребер. Эту линейную вариацию смещения удобно определять с помощью математического интерфейса Coefficient Form Boundary PDE, что подробно описано в одной из предыдущих статей корпоративного блога COMSOL о моделировании поступательного движения.

Схематическое деление геометрии на области с различными деформациями.

Сведения об заданных смещениях различных областей задаются с помощью интерфейса Deformed Geometry (Деформированная геометрия), как показано на снимке экрана ниже. Условия типа Prescribed Deformation (Заданная деформация) смещают зеленые области, а желтые области подстраиваются и деформируются из-за наложенного условия Free Deformation (Свободная деформация). Граничные условия Prescribed Mesh Displacement (Заданное смещение сетки) применены к черным и красным ребрам и однозначно доопределяют деформации желтых областей.

Управление смещениями витков катушки с помощью условия Prescribed Deformation (Заданное смещение) в интерфейсе Deformed Geometry (Деформированная геометрия).

С помощью такой настройки через интерфейс Deformed Geometry (Деформированная геометрия) пять управляющих переменных для положений витков теперь определяют задачу оптимизации формы (shape optimization). Ранее мы уже обсуждали задачи оптимизации формы, рассматривая более общую постановку из области механики конструкций. При оптимизации формы можно воспользоваться функционалом COMSOL Multiphysics по анализу чувствительности (Sensitivity-анализу) при изменяющихся геометрических параметрах.

Следует также определить набор Global Inequality Constraints (Глобальных ограничений в виде неравенства), чтобы зеленые области, окружающие витки, не были расположены слишком близко друг к другу и не пересекались. Это показано на следующем снимке экрана. Помните о том, что ограничение масштабируется на величину зазора G₀, поэтому уравнение ограничения мы также сформулируем через нормировку и единицу.

Одно из четырех ограничений, не позволяющих виткам сближаться и накладываться друг на друга.

Ввиду значительных деформаций, которые могут возникнуть в растягивающихся и сокращающихся областях вокруг витков, целесообразно также использовать структурированную сетку типа Mapped.

Структурированная сетка типа Mapped используется в деформируемых областях вокруг витков. Для области c Infinite Element Domain также используется Mapped-сетка.

Теперь можно решить эту задачу с помощью градиентного оптимизационного алгоритма (SNOPT), используя преимущества определения деформаций через Deformed Geometry, что дает возможность использовать аналитические выражения для градиентов. В процессе оптимизации ток, протекающий по катушке, и положения витков меняются, чтобы минимизировать упомянутую выше целевую функцию. Результаты оптимизации показаны на следующем рисунке.

z-компонента плотности магнитной индукции вдоль осевой линии для оптимизированной конструкции катушки.

Оптимальные положения витков.

Заключение

Мы представили модель, в которой сочетается оптимизация формы и параметров для регулировки тока в катушке и интервала между витками в двухмерной осесимметричной катушке. Используя интерфейсы Optimization (Оптимизация) и Deformed Geometry (Деформированная геометрия), мы аналитически рассчитали градиенты для данной задачи и быстро провели оптимизационное исследование.

Дополнительные ресурсы

Искусственное магнитное поле подарит Марсу второе рождение // Смотрим

Исследователи из США и Великобритании составили амбициозный план, благодаря которому можно будет создать новое магнитное поле для целой планеты. Если эта идея окажется выполнимой, то возможность колонизации других миров станет чуть более реальной.

Терраформирование Марса — заветная мечта человечества. Создание на Красной планете условий, пригодных для жизни людей, решит проблему перенаселения Земли и сокращения её ресурсов в будущем.

Также полностью автономные колонии на Марсе обеспечат человечеству безопасное убежище в случае, если на нашей планете случится глобальная катастрофа.

Помимо таких “классических” опасностей, как падение астероида, нашей планете угрожают менее фантастические экологические катастрофы.

И если для защиты от астероидной угрозы в мире уже разрабатываются разнообразные планы, то изменение климата и загрязнение окружающей среды пока выглядят как проблемы, мягко говоря, трудноразрешимые.

В этой почти безвыходной ситуации у многих рождаются идеи о терраформировании других планет. Если что-то пойдёт не так на Земле, человечество сможет начать всё заново в другом месте. Главное в этом деле — не забывать об ошибках прошлого.

Марс как нельзя лучше подходит для таких грандиозных планов. Продолжительность дня на Красной планете почти не отличается от земной. На Марсе много льда, скрытого прямо под его поверхностью. Вероятно, со временем на четвёртой от Солнца планете удастся создать пригодную для дыхания атмосферу.

Чего не хватает на Красной планете, так это сильного магнитного поля. Оно когда-то было у Марса, когда его металлическое ядро было жидким. Однако по мере остывания оно постепенно застывает, а магнитное поле ослабевает.

Молодой Марс имел плотную, богатую водой атмосферу, но она постепенно истощалась без защиты сильного магнитного поля. Её сдували солнечные ветра.

Магнитное поле создаёт своего рода пузырь, который защищает планету от набегающих солнечных ветров. В итоге они обтекают планету, обеспечивая всему живому на ней безопасность: так, магнитное поле Земли не позволяет большинству частиц высокой энергии достигать поверхности планеты.

В общем, если мы хотим сделать Марс второй Землёй, нам придётся создать для него искусственную магнитосферу.

При этом учёные не могут воссоздать магнитное поле Земли на Марсе. Ведь наше магнитное поле порождается динамо-эффектом в ядре Земли, где имеют место конвекционные потоки сплавов железа.

Ядро Марса меньше и холоднее, и его нельзя “раскочегарить”, чтобы создать магнитное динамо. Но, как показывает недавнее исследование, несколько способов создать искусственное магнитное поле всё же существует.

Идеи для генерации марсианского магнитного поля предлагались и раньше, и обычно они включают либо наземные, либо орбитальные соленоиды, которые создают некоторый базовый уровень магнитной защиты.

Новое исследование подтверждает, что создание марсианских соленоидов действительно может сработать. Также оно предлагает другое хорошее решение.

В работе отмечается, что для создания надёжного магнитного поля планеты необходимо организовать сильный поток заряженных частиц внутри планеты или вокруг неё. Второй вариант авторы научной работы считают наиболее реальным.

Оказывается, существует возможность создать кольцо заряженных частиц вокруг Марса благодаря его спутнику Фобосу.

Фобос — наиболее крупный из двух марсианских спутников, и он обращается вокруг планеты на довольно небольшом расстоянии. Он расположен настолько близко, что совершает полный оборот вокруг Марса всего за восемь земных часов.

Исследователи предлагают ионизировать частицы с поверхности Фобоса, а затем ускорять их, чтобы они создавали плазменный тор вдоль орбиты Фобоса.

Это создаст магнитное поле, достаточно сильное, чтобы защитить Марс от нежелательного воздействия солнечного ветра.

Этот смелый план кажется вполне выполнимым, хотя при его реализации придётся преодолеть серьёзные инженерные препятствия. Но, как отмечают авторы работы, наступает пора новых идей.

Они предлагают начать думать о проблемах, которые нам нужно решить, и о том, как мы можем их решить. И когда человечество действительно достигнет Марса, лучшие идеи будут проверены на практике.

Исследование было опубликовано в издании Acta Astronautica.

Напомним, ранее мы писали о том, что далеко не все учёные уверены в том, что терраформирование Марса вообще возможно. Однако многие исследователи не оставляют надежды: недавно мы рассказывали об обнаружении на Марсе оазисов, безопасных для человека, а также о том, что бетон для марсианских построек будут делать из крови и пота космонавтов.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе “Наука” на медиаплатформе “Смотрим”.

Как создаются магнитные поля – Видео и стенограмма урока

Токопроводящие проводники

Эксперимент XIX века показал, что провод, по которому проходит электрический ток, является магнитом. Поскольку все электроны движутся по проводу в одном направлении, вокруг провода создается четко определенное магнитное поле. Сила магнитного поля пропорциональна величине тока, протекающего по проволоке. Другими словами, увеличение тока увеличивает силу магнитного поля.Итак, если провода такие магнитные, почему мы не видим, как скрепки и вилки летают по комнате и прилипают к ним? Причина в том, что магнитное поле не очень сильно при нормальном, повседневном уровне электрического тока. Нам нужно будет немного поработать, чтобы превратить проволоку в полезный магнит.

Электромагниты

Поместив ферромагнитные материалы в электрическую катушку, вы можете усилить электромагнит.

Электромагнит – это магнит, который использует электрический ток для создания своего магнитного поля.Это отличается от постоянных магнитов, таких как те, что есть в вашем холодильнике, которые полагаются на магнитные свойства атомов в материале для создания магнитного поля. На данный момент наш электромагнит представляет собой просто провод, но магнитное поле слишком слабое, чтобы сделать что-нибудь практичное. Однако, если мы согнем провод вокруг и вокруг, чтобы сформировать катушку, магнитные поля петель будут концентрироваться в центре. Чтобы еще больше усилить этот эффект, мы можем намотать несколько слоев проволоки друг на друга. Использование большего количества витков провода увеличивает силу магнитного поля.Это явное улучшение по сравнению с нашим одиночным проводом, которое использовалось ранее, но оно все еще недостаточно прочное, чтобы быть действительно практичным.

Мы можем сделать наш электромагнит в несколько тысяч раз сильнее, поместив сердечник из ферромагнитного материала, такого как железо, в центр катушки. Ферромагнитные материалы содержат так называемые магнитные домены – области в материале, которые действуют как крошечные магниты. Обычно домены имеют произвольную конфигурацию, и материал не проявляет никакого магнетизма.Однако при воздействии магнитного поля, подобного тому, которое создается нашей катушкой с проволокой, домены начинают выравниваться, и отдельные магнитные поля объединяются в большее поле.

Степень выравнивания домена зависит от силы магнитного поля, создаваемого катушкой, которое, как мы узнали ранее, может контролироваться величиной тока, протекающего через провод. Не менее важно то, что при отключении тока магнитные домены возвращаются к своей случайной конфигурации, и электромагнит теряет почти весь свой магнетизм.Возможность управлять очень мощным магнитом с помощью переключателя имеет множество практических применений.

Электромагниты в действии

Мы используем электромагниты каждый день, даже не осознавая этого. Их можно найти буквально на тысячах различных устройств, потому что они очень полезны. Например, их можно использовать для подъема стали на свалке металлолома, для звонка в школьный звонок на перемену и даже для левитации высокоскоростных поездов. Знаете ли вы, что в динамиках используются электромагниты? Выступающие пользуются преимуществом того факта, что силой электромагнита можно управлять, регулируя электрический ток.

Источник звука посылает ток на электромагнит в динамике, который управляет звуком, который мы слышим.

Динамик имеет постоянный магнит, установленный на раме, и небольшой электромагнит, прикрепленный к гибкому конусу. Источник звука, например радио, посылает переменный ток на электромагнит, который изменяет то, насколько сильно электромагнит реагирует на магнитное поле постоянного магнита. Это контролирует движение конуса, который производит амплитуду и частоту звука, который мы слышим.Как видите, электромагниты позволяют нам преобразовывать электрический ток в полезную механическую силу, которую можно использовать во всех сферах применения.

Краткое содержание урока

Все магнитные поля создаются движущимися заряженными частицами. Стационарные заряженные частицы не создают магнитных полей. Электромагнит – это магнит, который использует электрический ток для создания магнитного поля. Простейший электромагнит – это просто провод, по которому проходит ток, который создает магнитное поле по всей длине провода.Если обернуть провод в катушку, магнитное поле в центре катушки становится сильнее. Добавление ферромагнитного сердечника в центр катушки резко увеличивает напряженность магнитного поля.

Ферромагнитные материалы содержат магнитные домены произвольной формы, которые выравниваются под действием магнитного поля. Выравнивание этих доменов объединяет их индивидуальные магнитные поля в одно сильное поле. Изменение тока в проводе приводит к различной степени выравнивания и, следовательно, к общей силе электромагнита.Возможность электрического управления магнетизмом электромагнита привела к множеству практических применений.

Результаты обучения

После просмотра этого урока вы сможете делать следующее:

Объяснять, как с помощью электричества создаются магнитные поля.
Определить электромагнит
Опишите, как добавление ферромагнитного материала к проводу увеличивает напряженность магнитного поля.
Приведите примеры повседневного применения электромагнитов

Магнитное поле вокруг провода, I

Когда ток проходит через проводник, создается магнитное поле.

Всякий раз, когда ток проходит через проводник, создается магнитное поле, на этот факт, как известно, наткнулся Ганс Кристиан Эрстед около 1820 года. В зависимости от формы проводника контур магнитного поля будет меняться. Однако, если проводник представляет собой провод, магнитное поле всегда принимает форму концентрических кругов, расположенных под прямым углом к проводу. Магнитное поле является самым сильным в области, ближайшей к проводу, и его направление зависит от направления тока, который создает поле, как показано в этой интерактивной анимации.

В руководстве представлен прямой провод, по которому течет ток. Знаки плюс и минус указывают полюса аккумулятора (не показан), к которому подключен провод. Обычное направление тока указано большой черной стрелкой. (Согласно соглашению, поток тока противоположен фактическому направлению электронов , показанных желтым). Линии магнитного поля , генерируемые вокруг провода из-за наличия тока, показаны синим цветом.Чтобы наблюдать направление поля в любой заданной точке на окружности провода, щелкните и перетащите стрелку компаса (ее северный полюс , красный, южный полюс синий). Направление магнитного поля вокруг провода также указано маленькими стрелками на отдельных линиях поля . Нажмите кнопку Reverse , чтобы изменить направление тока и посмотреть, какое влияние это изменение оказывает на магнитное поле провода.

Существует простой метод определения направления магнитного поля, создаваемого вокруг токоведущего провода, обычно называемого правилом правой руки.Согласно этому правилу, если большой палец правой руки направлен в направлении обычного тока, то направление, в котором остальные пальцы должны загибаться, чтобы сжать кулак (или обернуть рассматриваемый провод), будет направление магнитного поля.

Магнетизм: бесконтактная сила

Эта идея фокусировки исследуется через:

Противопоставление взглядов студентов и ученых

Ежедневный опыт студентов

Многие молодые студенты испытали запоминающийся, но часто сбивающий с толку опыт работы с магнитами и магнитными материалами.Магнитные материалы регулярно встречаются в доме, часто они держат мелкие предметы на кухонном холодильнике или держат шкафы и дверцы холодильника закрытыми. Во многих детских игрушках используются слабые магниты, чтобы «склеивать» материалы (например, деревянные вагоны поезда), или они используются в простых детских конструкторах, чтобы они могли быстро собирать более сложные конструкции без использования грязного клея или сложных соединений. В игрушках очень редко используется магнитное отталкивание.

Многие младшие школьники еще не сформировали четких представлений или, во многих случаях, вообще каких-либо представлений о том, как магниты взаимодействуют с материей или друг с другом.Они не видят необходимости различать магнитные силы и электростатические силы (или гравитацию). Для них это часто кажется обычным переживанием одной и той же невидимой бесконтактной силы, обычно только притяжения. Например, воздушный шар, «натертый» тканью, приводящий к его притяжению к другому объекту, часто неправильно описывается молодыми студентами (и даже некоторыми взрослыми) как каким-то образом «намагниченный».

Путаница студентов в отношении бесконтактных сил исследуется в основной идее Электростатика – Уровень 4.

Хорошо известно, что старшие ученики придерживаются различных взглядов на магнетизм, которые значительно различаются по степени сложности, от магнитных моделей с окружающими их «облаками» действия до идей об «электрических лучах» и «полях». Однако многие младшие школьники просто ассоциируют магнетизм с «притягивающей силой». Понятно, что их наивная модель не имеет предсказательной или объяснительной силы, и они обычно не ощущают необходимости делать больше, чем идентифицировать и маркировать привлекательное или менее частое отталкивающее поведение как магнитное.

Исследование: Эриксон (1994), Борхес и Гилберт (1998), Хаупт (2006), Ван Хук и Хузиак-Кларк (2007), Эшбрук (2005), Хикки и Шибечи (1999), Мэлони, О’Кума, Хейггельке и Ван Хёвелен (2001)

Научная точка зрения

Мы часто встречаемся с магнитные поля в нашем повседневном опыте (например, магнитное поле Земли и магнитные поля, создаваемые электрическим током). Однако подавляющее большинство магнитных полей вокруг нас просто слишком слабы, чтобы вызывать какие-либо наблюдаемые эффекты, или остаются «удаленными от нас», потому что они используются в более сложных машинах, таких как электродвигатели и жесткие диски компьютеров.

Магнитное притяжение и отталкивание – одна из трех фундаментальных сил бесконтактной природы. Две другие силы электростатические и гравитационные (см. идею фокусировки Бесконтактные силы на уровне 4, Электростатика – Уровень 4 и Гравитация – Уровень 6).

Подавляющее большинство магнитов, с которыми мы сталкиваемся (например, магниты на холодильник, дверные защелки и магнитные игрушки), изготовлены из материалов, которые ферромагнетик. Эти материалы основаны на смесях железа, никеля или кобальта, поскольку это единственные три известных ферромагнитных элемента.С их помощью и добавлением более дорогих редкоземельных элементов можно сделать более сильные промышленные магниты.

Атомы в ферромагнитных материалах разные, потому что они могут вести себя как маленькие магниты. Обычно магнитное поле вокруг каждого атома направлено в случайном направлении, в результате чего они компенсируют друг друга (см. Рисунок 1). Однако, если окружающее магнитное поле достаточно сильное, они могут выровняться так, чтобы каждый из них способствовал созданию более сильного магнитного поля в материале (см. Рисунок 2).Они также могут оставаться выровненными, когда окружающее поле удаляется, создавая постоянный магнит.

Типичные магниты, которые можно найти вокруг дома или использовать в гитарных «звукоснимателях» или очистителях стекла аквариумов, сделаны из ферромагнитных материалов и могут создавать постоянные магнитные поля с интенсивностью до 3000 раз большей, чем магнитное поле Земли.

Ферромагнитные материалы обычно очень хрупкие и легко раскалываются или ломаются при падении или столкновении.Они также потеряют свои постоянные магнитные свойства при сильном нагревании. Все эти действия приводят к тому, что отдельные атомы теряют выравнивание.

Считается, что магнитные поля, окружающие все магниты, имеют два полюса: северный и южный. Эти названия происходят из наблюдения, что магниты будут выровнены в направлении слабого магнитного поля Земли, если им позволено свободно вращаться, то есть магнитные компасы для определения направления полагаются на этот принцип для работы. «Северный полюс» магнита получил это название, потому что он всегда указывает на северный географический магнитный полюс Земли.
Подобные магнитные полюса отталкиваются, а разные магнитные полюса притягиваются друг к другу.

Критические идеи обучения

Магнитные силы – это неконтактные силы; они тянут или толкают предметы, не касаясь их.
Магниты притягиваются только к некоторым «магнитным» металлам, а не ко всему веществу.
Магниты притягиваются и отталкиваются от других магнитов.

В соответствии со стандартами до Уровня 3 включительно, уместно поощрять учащихся наблюдать и исследовать магнитные явления через игру.Студентам следует помочь развить простое понимание наблюдаемого притяжения магнитов к некоторым «особым» металлам (не ко всем металлам), а также их притяжения и отталкивания к другим магнитам. Студентов следует поощрять различать магнитные силы, электростатические и гравитационные силы как разные, но примеры сил, которые могут действовать без физического контакта, то есть примеры бесконтактных сил.

Изучите взаимосвязь между идеями о магнетизме и неконтактными силами в Карты развития концепции – Электричество и магнетизм.

Учебная деятельность

Предложите открытую проблему для изучения в игре или путем решения задач.

Предоставьте учащимся различные материалы, чтобы они могли исследовать, какие из них обладают магнитными свойствами. Эти материалы могут включать образцы: бумаги, пластика, полистирола, дерева, стекла, веревки, листьев, керамики, камня и некоторых предметов из железа или стали. Старайтесь использовать только металлические предметы, сделанные из железа или стали, чтобы учащиеся могли понять, что быть состоящими из твердого металлического материала – обычное свойство.

Раздайте ученикам пакеты с образцами (скажем, 12–15) и попросите их протестировать образцы с помощью стержневого магнита или магнита на холодильник, чтобы увидеть, какие из них притягиваются к магниту. Попросите их разделить предметы на две отдельные группы: те, которые кажутся притягиваемыми магнитом, и те, которые не притягиваются.

Предложите студентам предложить общие черты объектов в группе, которые были привлечены магнитом. Может ли разница в их цвете, весе или веществе, из которого они сделаны? Попросите учащихся предложить и проверить свои идеи, чтобы определить возможные общие свойства.

Затем спросите учащихся, все ли предметы из металлических материалов магнитные. Был ли у кого-нибудь из студентов опыт, свидетельствующий об обратном? Теперь предоставьте учащимся несколько предметов, сделанных из разных металлов, и попросите их рассортировать предметы на две стопки, предсказывая, какие предметы будут притягиваться к магниту, а какие нет. Некоторыми примерами металлов и их источников могут быть: алюминиевые банки или фольга, латунные ключи, медные гвозди или проволока, стальные винты или гвозди, цинкование или припой, железные болты или гвозди, свинцовые грузила и никелевые сварочные стержни.

После сортировки объектов учащиеся могут протестировать их, чтобы убедиться, что они правильно предсказали, какие материалы являются магнитными.

Цель состоит в том, чтобы побудить студентов испытать различные материалы и путем исследования признать, что только некоторые металлы обладают магнитными свойствами. Важно отметить, что в нашем повседневном опыте большинство металлов кажутся магнитными, потому что наиболее широко используемым металлом является сталь, содержащая железо.

Начать обсуждение через общий опыт

Большинство студентов знакомы с магнитами, «притягивающими» магнитные материалы или с притяжением к некоторым металлическим поверхностям, таким как холодильники и белые доски, но они гораздо менее знакомы с магнитными силами, которые отталкивают друг друга.Студентам становится труднее исследовать это, потому что у них должно быть как минимум два магнита сопоставимой силы, а многие из знакомых рекламных магнитов на холодильник, используемых для простых исследований, являются слабыми и сконструированы таким образом, что у них нет идентифицируемых магнитных полюсов.

Постарайтесь приобрести несколько магнитов для чистки стекла «аквариум», которые поставляются парами, или «магниты для коров», которые можно приобрести в некоторых магазинах сельскохозяйственной продукции. Поверхности этих магнитов хорошо защищены, что снижает риск случайного защемления учениками пальцев или разбрасывания фрагментов магнитов при неосторожном обращении.

Попросите учеников выяснить, что им нужно сделать, чтобы магниты притягивались и отталкивались друг от друга. Попросите их идентифицировать разные концы каждого магнита с помощью стикеров. Насколько хорошо ученики могут предсказать, что произойдет, когда магниты поднесут друг к другу?

Теперь посоветуйте ученикам закрепить один магнит липкой лентой на крыше игрушечной машинки. Используйте ручной магнит, чтобы толкать автомобиль, не касаясь его, или притягивать автомобиль к себе, изменяя его ориентацию.Могут ли студенты предсказать, будет ли магнит на машине притягиваться или отталкиваться приближением нового магнита?

Цель этого урока – показать учащимся, что магниты могут как отталкивать, так и притягивать друг друга. На этом уровне для учащихся не считается важным уметь вспоминать, что одинаковые полюса отталкиваются, а разные полюса притягиваются, но осознавать, что магниты могут отталкивать и притягиваться, не вступая в физический контакт, и что важна их ориентация.

Открытое обсуждение через общий опыт

Учащимся можно предложить изучить, проходят ли магнитные силы через другие немагнитные материалы.Чтобы привлечь интерес учащихся, поместите магнит (например, магнит для чистки стекла аквариума) на классный стол. Поместите еще один магнит (другой магнит для чистки стекла) под стол, чтобы они оба сильно притягивались. Расположите магнит так, чтобы вы могли перемещать магнит под столом коленом или другой рукой. Магнит на столешнице будет следовать за движением магнита внизу. Это загадочное движение магнита на столе произведет впечатление на студентов, но в конечном итоге они откроют для себя «уловку» второго магнита под столом.

Попросите учащихся прикрепить магнит к подставке или верхней части небольшой бутылки с водой с помощью «синей застежки» или липкой ленты, чтобы он выступал за боковую поверхность бутылки. Затем попросите их прикрепить канцелярскую скрепку к отрезку хлопка достаточной длины, чтобы дотянуться от поверхности стола до магнита. Наконец, используйте “синюю кнопку”, чтобы прикрепить вату к столу, чтобы скрепка не доходила до магнита и казалась подвешенной в воздухе с зазором между ней и магнитом.

Предложите студентам исследовать, могут ли различные материалы остановить магнитную силу притяжения, когда они помещаются между магнитом и скрепкой.Попробуйте листы бумаги, стекла, плитки, алюминиевой фольги, меди и цинка. Влияет ли какой-либо из этих материалов на уменьшение магнитной силы?

Здесь мы хотим показать учащимся, что магнитные силы останутся беспрепятственными и могут проходить через большинство материалов без какого-либо воздействия.

Помогаем студентам выработать для себя некоторые «научные» объяснения.

Соберите несколько вешалок из проволоки без покрытия, разрежьте и выпрямите их на короткие отрезки от 10 до 20 см.Раздайте пару штук ученикам, работающим в парах или тройках, убедившись, что они имеют разную длину. Также передайте каждой группе несколько (от 5 до 8) маленьких скрепок. Сознательно не отдавайте магниты друг на друга, чтобы ученики не соприкасались с проволокой.

Предложите студентам исследовать, удается ли какой-либо из отрезков проволоки притягивать скрепки. Если отрезки проволоки ранее не контактировали с какими-либо магнитами, они не должны проявлять магнитных свойств и не мешать скрепкам.

Теперь раздайте постоянный магнит каждой группе студентов и продемонстрируйте, как вы можете использовать один конец магнита, чтобы последовательно перемещать провод в одном направлении, заставляя его намагничиваться. Затем ученики могут повторить это со своей собственной длиной проволоки и определить, удалось ли им сделать магнит, проверив его способность притягивать или поднимать несколько скрепок.

Этот метод намагничивания соответствует идее использования магнитного поля (от магнита) для выравнивания направления атомов, действующих как крошечные магниты в проводе.Не рекомендуется делиться этим объяснением со студентами.

Попросите учащихся описать то, что они делали, и обсудить, насколько им удалось создать магнит.

Сбор доказательств и данных для анализа

После того, как ученики успешно превратили один кусок проволоки в постоянный магнит, поставьте перед ними задачу сделать самый мощный магнит, который они могут. Они могут снова проверить свой успех, привлекая и поднимая как можно больше скрепок с помощью проволочных магнитов.Попросите учащихся из каждой группы записать, сколько скрепок может поднять их магнит. Поощряйте студентов исследовать различные свойства проводов, которые могут способствовать созданию лучших магнитов, например сравните количество поглаживаний по каждому из них, длину проводов и методы, использованные для поглаживания каждой проволоки.

Поощряйте студентов проверять свои идеи и сравнивать результаты.

Можно ли создавать магнитные волны?

Категория: Физика Опубликовано: 13 января 2016 г.

Public Domain Image, источник: Кристофер С.Бэрд

Да, с помощью магнитов можно создавать электромагнитные волны. Нет, невозможно создать магнитные волны без электрического поля. Электрические поля создаются электрическими зарядами. Например, если вы статически зарядили воздушный шар, потерев его о волосы, воздушный шар создаст электрическое поле. Магнитные поля создаются магнитами. Например, магнит на холодильник создает магнитное поле и прилипает к нему. Электрические поля и магнитные поля не являются отдельными сущностями.На самом деле они являются гранями единого целого: электромагнитного поля.

Хотя электрические заряды могут создавать электрические поля, магнитные поля могут также создавать электрические поля. Точно так же, хотя магниты могут создавать магнитные поля, электрические поля также могут создавать магнитные поля. Фактически, каждый раз, когда вы меняете магнитное поле, вы создаете электрическое поле. Это называется законом индукции Фарадея. Точно так же каждый раз, когда вы меняете электрическое поле, вы создаете магнитное поле.Это называется законом Максвелла-Ампера. Интересно то, что изменяющееся электрическое поле создает изменяющееся магнитное поле, которое создает изменяющееся электрическое поле, которое создает изменяющееся магнитное поле и так далее. Вместо того, чтобы рассматривать электрическое поле и магнитное поле как отдельные сущности, которые постоянно создают друг друга в процессе циклической обратной связи, правильнее рассматривать их просто как один единый объект: электромагнитное поле. Из-за этого циклического процесса обратной связи электромагнитные поля, которые меняются во времени, становятся самоподдерживающимися и распространяются в космос, даже если электрические заряды или магниты, запустившие процесс, исчезают.Мы называем такие самоподдерживающиеся вариации электромагнитного поля «электромагнитными волнами» или «электромагнитным излучением». Знакомый пример электромагнитных волн – видимый свет. Все электромагнитные волны движутся со скоростью света, потому что все они фактически являются светом того или иного вида.

Итак, невозможно создать чисто магнитные волны. Сам акт создания волн в магнитном поле автоматически создает соответствующие электрические поля и приводит к электромагнитному излучению.Например, если вы возьмете стержневой магнит и встряхнете им над головой, вы не создадите магнитные волны. Вы создаете электромагнитных волны . В частности, вы создаете очень слабые, очень низкочастотные радиоволны. Это не фигура речи. Вращение стержневого магнита буквально создает радиоволны, распространяющиеся во всех направлениях. Однако эти радиоволны очень низкочастотные, поэтому не думайте, что вы можете начать транслировать музыку нового поколения на свой радиоприемник, размахивая стержневым магнитом.

Темы: электрическое поле, электромагнетизм, магнит, магнитное поле

Можете ли вы экранировать или блокировать магнитные поля? | Ребята из науки

Я слышал, что свинец останавливает ядерную радиацию; вы можете экранировать или блокировать магнитные поля?

Февраль 2004 г.

Короткий ответ: нет, не существует щита или вещества, которое эффективно блокировало бы магнитные поля как таковые. Однако вы можете перенаправить линии магнитного поля, что некоторые люди называют магнитным экранированием.Теперь давайте разберемся с этим немного подробнее.

На самом деле существует закон, называемый законом Гаусса, который что-то говорит нам о магнитных полях (этот закон также является одним из уравнений Максвелла, объясняющих все электромагнитные явления). Этот закон в основном подразумевает, что вы не можете разделить магнитные полюса, то есть вы не можете изолировать только один полюс; должно быть два магнитных полюса: один называется северным, а другой – южным. Это отличается от электрических зарядов, когда вы можете отделить один положительный или один отрицательный заряд.Магнитные полюса всегда идут парами. Ученые используют терминологию, согласно которой монополей (одиночных магнитных полюсов) не существует.

Силовые линии магнитного поля представляют собой замкнутые контуры и должны быть непрерывными между северным и южным полюсами. В случае стержневого магнита представьте себе силовые линии, выходящие из северного полюса, излучающие через пространство и вновь входящие в стержневой магнит на южном полюсе, продолжающиеся через магнит обратно к северному полюсу. Поскольку эти силовые линии должны быть непрерывными, они должны найти путь обратно к своему источнику.Их невозможно остановить, и им некуда идти.

Однако линии поля могут быть перенаправлены. Следовательно, можно создать область пространства, относительно свободную от силовых линий магнитного поля, поскольку они перенаправлены вокруг этой области. Обратите внимание, что вы не остановили их, а просто перенаправили. Линии поля по-прежнему должны быть непрерывными и в конечном итоге замкнуться сами по себе.

Чтобы перенаправить линии магнитного поля, вы предлагаете им предпочтительный путь. Силовые линии магнитного поля предпочитают перемещаться в материалах, которые обладают определенными магнитными свойствами, а именно в материалах с высокой проницаемостью.Помещая материал с высокой проницаемостью (или, по крайней мере, с проницаемостью выше, чем рассматриваемая область) вокруг области, которую вы хотите защитить, вы эффективно предлагаете силовым линиям лучший путь для перемещения. Магнитные линии идут по этому пути и держатся подальше от области, которую вы хотите защитить. Материал с высокой проницаемостью будет «проводить» силовые линии магнитного поля лучше, чем его первоначальный путь. Хотя это не одно и то же явление, это напоминает нам о том, что электричество идет по пути наименьшего сопротивления.Линии поля выбирают самый легкий путь для путешествия. Таким образом, оболочка из материала с высокой проницаемостью, построенная вокруг области, будет эффективно удерживать большую часть силовых линий магнитного поля в самой оболочке и вне области внутри оболочки.

Хотя свинец блокирует или останавливает радиоактивные выбросы, такие как бета-частицы или гамма-лучи, он не блокирует магнитные поля. Проницаемость свинца низкая и практически не влияет на магнитные поля.

Как преобразовать магнетизм в электричество – Электромагнитная индукция

При перемещении катушки поперек магнитного поля возникает ток (см. Изображение ниже).Это называется электромагнитной индукцией. Направление тока зависит от того, как движется катушка. Возникающий ток называется индуцированным током.

Электромагентный ток – это ключ к принципам работы трансформаторов, электродвигателей генераторов и соленоидов. Майклу Фарадею обычно приписывают открытие индукции в 1831 году. Он сформулировал, что электродвижущая сила (ЭДС), возникающая вокруг замкнутого пути, пропорциональна скорости изменения магнитного потока любой поверхностью, ограниченной этим путем – (упростите это) .Это означает, что электрический ток будет индуцироваться в любой цепи при изменении магнитного потока через поверхность проводника. Это применимо независимо от того, изменяется ли длина самого поля или через него проходят проводники.

Генератор

Важным приложением электромагнитной индукции является генератор. Генератор – это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую (см. Виды энергии). Генераторы на электростанциях несут ответственность за производство 99% (проверьте это) энергии, используемой в США.Простой генератор состоит из проволочной петли, расположенной между полюсами магнита. Петля прикреплена к стержню или оси, которая может вращаться. Когда проволочная петля вращается или прорезает силовые линии магнитного поля, индуцируется электрический ток. По мере того как проволочная петля продолжает вращаться, будет точка, в которой проволока будет параллельна силовым линиям магнитного поля. В этот момент ток не вырабатывается. Дальнейшее вращение перемещает петлю в положение, где силовые линии разрезаются в противоположном направлении.Это приведет к тому, что ток будет течь в противоположном направлении. Поскольку направление тока изменяется с каждым оборотом контура, ток называется переменным током (AC) –

.
Нужно несколько изображений на этой странице.
почему изменение переменного тока 120 раз в секунду?
Что такое трансформатор?
Трансформатор – это устройство, повышающее или понижающее напряжение переменного тока.Ток в одной катушке индуцирует ток в другой катушке.
Трансформатор состоит из двух катушек (одна катушка является первичной, а другая – вторичной), намотанных на металлический сердечник. (см. изображения —) Когда переменный ток проходит через первичную катушку и возникает индуцированное магнитное поле, электромагнитная индукция заставляет ток течь во вторичной катушке. Если количество витков провода одинаково в обеих катушках, индуцированное напряжение во вторичной катушке будет одинаковым.Если количество витков во вторичной катушке больше, чем в первичной катушке, напряжение во вторичной катушке будет больше. Это пример повышающего трансформатора. Посмотрите, как работают трансформаторы
Физики рассчитали совершенно новый способ создания сверхсильных магнитных полей
Исследователи предложили новый способ использования лазеров для генерации магнитных полей, которые по крайней мере на порядок сильнее, чем все, что мы в настоящее время можем произвести на Земле.
В природе такие сверхсильные поля существуют только в космосе, и они могут быть ключом к использованию чистой энергии ядерного синтеза и моделирования астрофизических процессов в лаборатории.
Это захватывающий материал, но до сих пор физики использовали только теоретические расчеты, чтобы показать, что метод может работать, и это еще не было экспериментально подтверждено по уважительной причине – в настоящее время у нас нет лазеров, достаточно мощных для тестирования. это из.
Но на бумаге эта предпосылка работает благодаря так называемому эффекту Фарадея, который является результатом странного взаимодействия между светом и магнитным полем.
Это немного сложно, но в основном эффект Фарадея относится к тому факту, что если электромагнитная волна, такая как видимый свет, проходит через немагнитную среду, то ее плоскость поляризации будет вращаться в присутствии постоянного магнитного поля. поле.
Если немного подробнее, то когда свет поляризован, это означает, что все световые волны колеблются в одной плоскости. Но угол этой плоскости можно поворачивать.
И из-за эффекта Фарадея, когда свет проходит через среду, плоскость поляризации будет вращаться в соответствии с постоянным магнитным полем.
При чем здесь лазеры? Что ж, побочный эффект эффекта Фарадея заключается в том, что если вы вмешаетесь в поляризацию видимого света, проходящего через магнитную среду, он будет генерировать магнитное поле.
Чем сильнее электромагнитная волна, тем выше магнитное поле, которое она может создать, поэтому, если вы используете действительно сильные лазеры, вы сможете создать крутое поле , действительно, .
Это идея, над которой физики играли еще в 1960-х годах, но причина, по которой она никуда не делась, заключается в том, что эффект Фарадея также требует, чтобы произошло поглощение – то, что обычно происходит при столкновении электронов.
Как только вы достигнете определенной интенсивности лазера, электроны станут ультрарелятивистскими, что означает, что они сталкиваются намного реже, и обычное поглощение в конечном итоге перестает происходить.
Из-за этого исследователи предположили, что лазер, достаточно мощный для создания сверхсильного магнитного поля, также остановит процесс поглощения, который аннулирует эффект Фарадея.
Но теперь исследователи из России, Италии и Германии выдвинули гипотезу, что при очень высоких интенсивностях лазерных волн поглощение может эффективно обеспечиваться радиационным трением, а не столкновениями электронов.
И этот специфический тип трения, по крайней мере на бумаге, может привести к генерации сверхсильного магнитного поля.
Согласно расчетам команды, достаточно мощный лазер способен создавать магнитные поля силой в несколько гига-Гаусс (Гаусс – единица измерения магнитных полей).
Чтобы представить это в перспективе, гига-Гаусс равен 10 ⁹ Гаусс, или 1 000 000 000 Гаусс. Безумно сильное магнитное поле, создаваемое аппаратом МРТ, может достигать только 70000 Гаусс, тогда как поверхность нейтронной звезды составляет около 10 ¹² Гаусс.
Магнитные поля, которые мы можем создать в лаборатории сегодня, составляют около 10 ⁸ Гаусс – и им сложно эффективно контролировать ядерный синтез в течение длительных периодов времени, и именно здесь этот новый метод пригодится.
Это также позволило бы исследователям воссоздать безумно сильные магнитные условия в космосе внутри лаборатории.
«Новое направление исследований – лабораторная астрофизика – появилось сравнительно недавно, и сейчас оно очень быстро развивается», – сказал один из исследователей Сергей Попруженко из Московского инженерно-физического института в России.