Magnētiskā plūsma — definīcija, mērvienības (Vēbers) un pielietojumi
Magnētiskā plūsma (bieži apzīmēta ar Φ) ir lauka kvantitatīvs raksturojums, kas atspoguļo, cik daudz magnētiskās indukcijas laukam B “šķērso” dotu virsmu. Matemātiski to definē kā virsmas integrāli Φ = ∫ B · dA (tātad laukvērtības vektora B un neliela virsmas elementa dA skalārais reizinājums, integrēts pāri virsmai). Ja lauks ir vienmērīgs un perpendikulārs plaknei, tad vienkāršs aprēķins ir Φ = B · A.
Fiziska būtība
Klasiskajā elektromagnētismā magnētiskā lauka avots ir kustība lādiņu (elektriskie strāvas pagriezieni) un pastāvīgie magnētiskie dipoli (piem., atomu magnētiskie momenti). Feromagnētiskos materiālos magnētisms rodas galvenokārt no elektronu spina un orbitālā leņķiskā momenta orientācijas, ko savstarpēji stabilizē kvantu mehānikas apmaiņas mijiedarbība. Kvantu līmenī elektromagnētiskās mijiedarbības kvantus var saistīt ar fotoniem, taču ikdienas un inženiertehniskajos aprēķinos magnētisko lauku apraksta kā laukus, nevis atsevišķus fotonus.
Īpatnības un likumi
- Gaussa likums magnētismam: magnētiskās plūsmas caur jebkuru slēgtu virsmu vienmēr ir nulle (∮ B · dA = 0). Tas atspoguļo to, ka nav novērots magnētiskais monopols.
- Plūsmas saistība ar tinumu: tinuma ar N vijumiem plūsmas saistība (flux linkage) ir Ψ = NΦ.
- Faradeja indukcijas likums: elektromotoriskā spēka (EMF) inducētais spriegums tinumā ir proporcionāls plūsmas izmaiņu ātrumam: emf = − d(NΦ)/dt. Zīme norāda uz Lenca likumu (inducētā EMF virziens pretgaitā plūsmas izmaiņām).
Mērvienības un pārvērtības
Magnētiskās plūsmas SI mērvienība ir Vēbers (Wb). Vēberu var izteikt arī kā teslu reizinātu ar kvadrātmetru (1 Wb = 1 T·m²) vai kā voltsekundi (1 Wb = 1 V·s) — tas atbilst Faradeja likuma vienībām. CGS sistēmā plūsmas mērvienība ir Maxwell, un pārvēršana ir: 1 Wb = 10^8 maxwell.
Mērīšana un aprēķināšana
Magnētisko plūsmu var noteikt tieši ar fluxmetriem vai netieši, mērot magnētiskās indukcijas laukus (piemēram, ar Gaussmetru/teslametru) un integrējot pa virsmu. Inženieri bieži izmanto:
- meklētā spoles (search coil) metodes, lai izmērītu inducēto spriegumu un pēc tam aprēķinātu plūsmu;
- numeriskās metodes (piem., beigu elementu metodes), lai modelētu lauku sadalījumu un plūsmas ceļus sarežģītās magnētiskajās ķēdēs;
- magnētiskos kodolus un plūsmas koncentratorus, lai pielāgotu un palielinātu plūsmu konkrētās ierīcēs.
Pielietojumi
Magnētisko plūsmu izmanto daudzās inženierijas un fizikas jomās. Tipiski piemēri:
- transformatori un induktori — kodolu dizains tiek optimizēts, lai nodrošinātu nepieciešamo plūsmu un izvairītos no pārlēkšanās (saturācijas);
- elektromotori un ģeneratori — plūsmas radošā un savstarpējā mijiedarbība nosaka efektivitāti un momentu;
- elektromagnēti un magnētiskie slēdži — plūsma nosaka spēku un piesaisti (elektromagnētiem);
- mērījumu ierīces un sensorsistēmas, piemēram, fluxmetri, fluxgate magnetometri, spoles mērīšanai;
- dynamometriskās ierīces un momenta mērījumi (dinamometrus);
- liela mēroga zinātniskā aparatūra, piemēram, magnētiskie lauki daļiņu paātrinātājos (daļiņu paātrinātājus.).
Magnētiskās plūsmas izpratne un precīza aprēķināšana ir būtiska gan teorētiskajai fizikai, gan praktiskajai elektroinženierijai, jo tā tieši ietekmē indukcijas efektus, ierīču veiktspēju un drošību.
Saistītās lapas
- Magnētiskais lauks
- Džeimss Klerks Maksvels pierādīja, ka elektriskais un magnētiskais spēks ir divi savstarpēji papildinoši elektromagnētisma aspekti.
- Maksvela vienādojumi apraksta gan elektrisko un magnētisko lauku, gan to mijiedarbību ar matēriju.
- Gausa likums nosaka sakarību starp elektrisko plūsmu, kas izplūst no slēgtas virsmas, un elektrisku lādiņu, kas atrodas šajā virsmā.
- Magnētiskā ķēde ir metode, kas izmanto analoģiju ar elektriskajām ķēdēm, lai aprēķinātu sarežģītu magnētisko komponentu sistēmu plūsmu.
- Magnētiskais monopols ir hipotētiska daļiņa, ko var brīvi raksturot kā "magnētu ar vienu polu".
- Magnētiskās plūsmas kvants ir magnētiskās plūsmas kvants, kas iet caur supravadītāju.
- Kārlis Frīdrihs Gauss sadarbojās ar Vilhelmu Vēberu, kas ļāva iegūt jaunas zināšanas magnētisma jomā.
Jautājumi un atbildes
J: Kas rada lauku ap magnētisku materiālu?
A: Magnētiskais plūsmas plūsma rada lauku ap magnētisko materiālu.
J: No kā sastāv magnētiskā plūsma?
A.: Magnētiskais plūsma sastāv no fotoniem, bet ar daudz zemāku frekvenci nekā gaisma, ko mēs saņemam no Saules.
J: Kāpēc magnētiskā lauka līnijas nav redzamas ar neapbruņotu aci?
A: Magnētiskā lauka līnijas nav redzamas ar neapbruņotu aci, jo tās ir zemas frekvences.
J: Kas nodrošina materiāla magnētismu?
A: Feromagnētu atomu čaulu elektronu izkārtojums un atsevišķi elektromagnētu "rotējošie" elektroni nodrošina materiāla magnētismu.
J: Kāda ir magnētiskā magnētiskā indukcija SI mērvienība?
A: Magnētiskā indukcijas plūsmas SI vienība ir Vēbers (Wb) atvasinātās vienībās, piemēram, voltsekundēs.
J: Kāda ir CGS magnētiskās plūsmas vienība?
A: CGS magnētiskā plūsmas vienība ir Maksvels.
J: Kas savā darbā izmanto magnētisko plūsmu?
A: Magnētisko plūsmu savā darbā izmanto elektroinženieri, kas projektē sistēmas ar elektromagnētiem, projektē dinamiku, un fiziķi, kas projektē daļiņu paātrinātājus.
