Магнетизм — совокупность явлений, связанных с магнитным полем и магнитными свойствами вещества. Поле создают движущиеся электрические заряды и магнитные моменты частиц; оно действует на движущиеся заряды, токи и магнитные диполи.
Постоянный магнит, катушка с током, двигатель и трансформатор используют один электромагнитный фундамент, но ведут себя по-разному. Для инженерной оценки важно различать магнитную индукцию B, напряжённость H, поток, частоту и свойства материала.
- B
- магнитная индукция, единица СИ — тесла (Тл)
- H
- напряжённость магнитного поля, ампер на метр (А/м)
- Φ
- магнитный поток, единица СИ — вебер (Вб)
Магнитное поле и полюса
Поле удобно изображать силовыми линиями, касательная к которым показывает направление B. Такие линии замкнуты: снаружи постоянного магнита их условно проводят от северного полюса к южному, а внутри — обратно.
Источник
Электрический ток, движение зарядов и магнитные моменты электронов и ядер создают магнитное поле.
Действие
Поле создаёт силу и момент, но величина воздействия зависит от тока, скорости, ориентации и свойств материала.
Диполь
Если разрезать обычный магнит, получатся два меньших магнита с парой полюсов, а не отдельные северный и южный полюса.
Магнит притягивает не «все металлы». Железо и многие его сплавы реагируют сильно, а медь и алюминий обладают гораздо более слабым откликом; в переменном поле в проводниках дополнительно возникают вихревые токи.
Как связаны электричество и магнетизм
Ток создаёт поле
Вокруг проводника с током возникает магнитное поле; направление определяют по принятому правилу для направления тока.
Поток индуцирует ЭДС
Изменение магнитного потока через контур вызывает электродвижущую силу; её направление противодействует причине изменения.
Поле создаёт силу
Проводник с током в магнитном поле испытывает механическое действие — основа электродвигательного режима.
Движение создаёт напряжение
Относительное движение проводника и поля меняет поток и используется в генераторах и датчиках.
Эти связи объясняют работу электродвигателей, генераторов и силовых трансформаторов. В трёхфазной машине вращающееся поле зависит от порядка фаз — см. материал о чередовании фаз.
Поле идеального прямого проводника
Показать, как в идеальной модели длинного прямого проводника магнитная индукция зависит от тока и расстояния.
Для идеального длинного прямого проводника B = μ0I/(2πr): поле пропорционально току и обратно пропорционально расстоянию. Катушка, обратный проводник, экраны и магнитные материалы требуют другой модели.
Расчёт выполняется в вашем браузере. Введённые значения никуда не отправляются.
Модель идеализирована и не оценивает реальное оборудование, насыщение, гистерезис, нагрев, ЭМС или воздействие на человека. Для измерений нужен прибор и методика соответствующего частотного диапазона.
Как материалы реагируют на поле
Сильный нелинейный отклик
Домены могут переориентироваться, материал намагничивается, достигает насыщения и проявляет гистерезис. Так работают стали магнитопроводов и ферриты.
Слабое усиление поля
Намагниченность направлена по внешнему полю и обычно исчезает после его снятия.
Слабое противодействие
Индуцированный отклик направлен против внешнего поля; эффект есть у всех веществ, но обычно перекрывается более сильными механизмами.
Для магнитопровода важны не только «магнитность», но и кривая B(H), потери на гистерезис и вихревые токи, частота, температура и насыщение. Выше температуры Кюри ферромагнитный порядок конкретного материала разрушается.
Где используется магнетизм
- Электрические машиныДвигатели преобразуют электрическую энергию в механическую, генераторы — механическую в электрическую.
- Трансформаторы и дросселиПеременный магнитный поток связывает обмотки и позволяет преобразовывать напряжение или ограничивать изменение тока.
- КоммутацияКатушки приводят в действие контакторы, реле и клапаны; пример — магнитный пускатель.
- ДатчикиЭффект Холла, магниторезистивные и индукционные преобразователи измеряют положение, скорость, ток или поле.
- Хранение и обработкаМагнитные носители, сепараторы, подъёмные электромагниты и медицинская аппаратура используют разные уровни и режимы поля.
Как измеряют магнитное поле
Определить задачу
Статическое поле, 50 Гц, импульс или широкий спектр требуют разных датчиков и способов усреднения.
Выбрать величину
B измеряют в теслах, H — в амперах на метр, поток Φ — в веберах; эти результаты нельзя подменять друг другом.
Учесть направление
Одноосевой датчик зависит от ориентации, трёхосевой позволяет получить пространственный результат по заданной методике.
Зафиксировать условия
Расстояние, ток нагрузки, частоту, режим оборудования, фон, время и погрешность прибора отражают в протоколе.
Сравнить корректно
Предел выбирают для нужной частоты, категории людей, длительности воздействия и объекта оценки.
Компас показывает направление земного поля, датчик Холла удобен для локального B, а измеритель низкочастотного поля оценивает промышленную частоту. Один бытовой магнитометр телефона не является универсальным прибором контроля.
Магнитное поле и безопасность
Факт наличия поля сам по себе не доказывает опасность. Оценка зависит от частоты, напряжённости или индукции, формы сигнала, длительности, расстояния и условий воздействия. Для оборудования и среды действуют разные документы и контрольные уровни.
Механические риски
Ферромагнитные предметы могут ускоряться, а имплантаты и приборы — работать некорректно; применяют контролируемые зоны и инструкции.
Индуцированные токи
В проводящих контурах возникают ЭДС и токи, способные влиять на людей, кабели и чувствительное оборудование.
ЭМС и испытания
Устойчивость электроники к полю промышленной частоты проверяют по стандартной испытательной установке, а не бытовым магнитом.
Подробнее о частотах, ионизирующем и неионизирующем воздействии — в статье об электромагнитном излучении.
Разберём вашу задачу
Инженер уточнит исходные данные и предложит подходящее техническое решение.
