สนามแม่เหล็กถอดรหัส: หลักการการวัดและการใช้งานจริง

สนามแม่เหล็กและการโต้ตอบกับวัสดุและกระแสไฟฟ้าเป็นส่วนสำคัญของฟิสิกส์พวกเขามีประโยชน์มากมายในด้านเทคโนโลยียาและชีวิตประจำวันการศึกษาสนามแม่เหล็กตามยาวและวงกลมช่วยอธิบายพฤติกรรมของแม่เหล็กในสถานการณ์ที่แตกต่างกันตั้งแต่การทดสอบวัสดุที่ไม่มีความเสียหายไปจนถึงการตรวจสอบวัตถุกลวงวิธีการเช่นแม่เหล็กแม่เหล็กไฟฟ้าและเข็มทิศที่เรียบง่ายช่วยให้เราวัดและใช้สนามแม่เหล็กได้อย่างแม่นยำทั้งในด้านวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรมการทำความเข้าใจว่าสนามแม่เหล็กทำงานอย่างไรกับตัวนำโซลินอยด์และขดลวดที่ดีที่สุดสำหรับการออกแบบวงจรไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพและอุปกรณ์แม่เหล็กหลักการเช่นการเหนี่ยวนำและกฎทางขวามือมีค่าสำหรับการใช้งานที่เป็นนวัตกรรมตั้งแต่เครื่อง MRI ไปจนถึงเครื่องเร่งอนุภาคบทความนี้สำรวจผลกระทบของสนามแม่เหล็กวิธีการวัดพฤติกรรมของพวกเขารอบตัวนำและขดลวดและวิธีการสร้างและปรับปรุงสนามแม่เหล็กสำหรับการใช้งานจริง

แคตตาล็อก

รูปที่ 1: สนามแม่เหล็กของแม่เหล็กแท่ง

สนามแม่เหล็กคืออะไร?

สนามแม่เหล็กเป็นพื้นที่ที่มองไม่เห็นล้อมรอบแม่เหล็กที่มีแรงบังคับจากแม่เหล็กอื่น ๆ หรือวัสดุ ferromagnetic เช่นเหล็กแม้ว่าเราจะไม่สามารถมองเห็นสนามได้ แต่การปรากฏตัวของมันนั้นชัดเจนผ่านผลกระทบของมันเช่นการจัดตำแหน่งของการยื่นเหล็กหรือการเบี่ยงเบนของเข็มเข็มทิศฟิลด์นี้ช่วยให้แม่เหล็กดึงดูดหรือขับไล่แม่เหล็กอื่น ๆ และวัสดุ ferromagnetic

รูปที่ 2: แหล่งที่มาของสนามแม่เหล็ก

สนามแม่เหล็กจะเกิดขึ้นเมื่อใดก็ตามที่ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่หลักการนี้เป็นครั้งแรกที่เปล่งออกมาโดยAndré-Marie Ampèreระบุว่ากระแสไฟฟ้าสร้างสนามแม่เหล็กอิเล็กตรอนผ่านการหมุนและการโคจรรอบนิวเคลียสอะตอมหรือเคลื่อนที่ผ่านสายไฟทำให้เกิดทุ่งนาเหล่านี้การหมุนและการโคจรของอิเล็กตรอนกำหนดทิศทางและความแข็งแรงของสนามแม่เหล็กเมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านตัวนำมันจะสร้างสนามแม่เหล็กที่ได้รับอิทธิพลจากความเข้มและทิศทางของกระแสไฟฟ้าแม่เหล็กถาวรเช่นแท่งแม่เหล็กที่ทำจากเหล็กสร้างสนามแม่เหล็กที่แข็งแกร่งและสอดคล้องกันเนื่องจากการจัดตำแหน่งของโมเลกุลของพวกเขาเมื่อตัวนำอยู่ใกล้กับแม่เหล็กสนามแม่เหล็กจะโต้ตอบกับประจุที่เคลื่อนที่ในตัวนำกระตุ้นกระแสไฟฟ้าและสร้างสนามแม่เหล็กของตัวเองการโต้ตอบเหล่านี้อาจส่งผลให้เกิดแรงที่น่าดึงดูดหรือน่ารังเกียจ

คุณสมบัติสนามแม่เหล็ก

สนามแม่เหล็กมีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน: ความแข็งแรงทิศทางและขั้ว

รูปที่ 3: ความแรงของสนามแม่เหล็ก

ความแรงของสนามแม่เหล็ก

ความแข็งแรงของสนามแม่เหล็กหรือความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กนั้นขึ้นอยู่กับกระแสที่ไหลผ่านตัวนำที่ผลิตมันเป็นหลักผลลัพธ์กระแสที่สูงขึ้นในสนามแม่เหล็กที่แข็งแกร่งเส้นสนามแม่เหล็กแสดงให้เห็นถึงความแข็งแรงของสนามพวกเขามีความหนาแน่นมากขึ้นในสาขาที่แข็งแกร่งและเว้นระยะห่างออกไปในทุ่งที่อ่อนแอกว่าความสัมพันธ์นี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนในโซลินอยด์ซึ่งการเพิ่มจำนวนคอยล์หมุนช่วยเพิ่มสนามแม่เหล็กปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กหลายสนามสามารถเสริมหรือทำให้จุดแข็งของแต่ละบุคคลลดลงขึ้นอยู่กับการวางแนวของพวกเขาความแข็งแรงของสนามแม่เหล็กลดลงตามระยะทางจากแหล่งที่มาแสดงความสัมพันธ์แบบผกผันระหว่างความแรงของสนามและระยะทาง

ทิศทางสนามแม่เหล็ก

ทิศทางของสนามแม่เหล็กคือเส้นทางที่ขั้วโลกเหนือจะตามมาหากวางไว้ในสนามเส้นของแรงมองเห็นวิถีนี้เข็มทิศเป็นเครื่องมือที่ใช้งานได้จริงสำหรับการกำหนดทิศทางของสนามเนื่องจากเข็มของมันสอดคล้องกับสนามแม่เหล็กทิศทางของสนามยังสามารถอนุมานได้จากผลกระทบต่อค่าใช้จ่ายในการเคลื่อนย้ายประจุที่เคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็กประสบกับแรงตั้งฉากกับทั้งทิศทางของสนามและการเคลื่อนไหวช่วยในการกำหนดทิศทางของสนาม

รูปที่ 4: ทิศทางของลูกศรเข็มทิศเหมือนกับทิศทางของสนามแม่เหล็ก

ขั้วสนามแม่เหล็ก

ความเข้าใจเกี่ยวกับแม่เหล็กนั้นขึ้นอยู่กับขั้วเป็นอย่างมากแม่เหล็กทั้งหมดมีสองขั้วคล้ายกับประจุบวกและลบในไฟฟ้าเสาเหล่านี้เรียกว่าขั้วเหนือและเสาใต้การตั้งชื่อนี้สะท้อนให้เห็นถึงเสาทางภูมิศาสตร์ของโลกแม้ว่าที่น่าสนใจเสาแม่เหล็กเหนือของโลกอยู่ใกล้ขั้วโลกใต้ทางภูมิศาสตร์และในทางกลับกันสิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงการเชื่อมโยงที่ซับซ้อนระหว่างปรากฏการณ์แม่เหล็กและภูมิศาสตร์

แม่เหล็กสองเสาอยู่เหนือและใต้เสาเหล่านี้ทำงานเช่นค่าไฟฟ้าบวกและลบเสาตรงข้ามดึงดูดในขณะที่เหมือนเสาขับไล่ตัวอย่างเช่นหากคุณนำแม่เหล็กสองตัวเข้ามาใกล้ขั้วโลกเหนือของหนึ่งจะดึงดูดขั้วโลกใต้ของอีกอันอย่างไรก็ตามหากคุณพยายามที่จะนำขั้วเหนือสองหรือสองขั้วใต้เข้าด้วยกันพวกเขาจะผลักออกไปจากกันและกันแรงดึงดูดและแรงผลักดันนี้อธิบายว่าแม่เหล็กมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไรและกับวัสดุแม่เหล็ก

รูปที่ 5: ขั้วสนามแม่เหล็ก

ผลของสนามแม่เหล็ก

สนามแม่เหล็กมีผลกระทบอย่างมากต่อวัสดุโดยเฉพาะอย่างยิ่งในอะตอมที่มีอิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสของพวกเขาเมื่อมีการใช้สนามแม่เหล็กอิเล็กตรอนเหล่านี้จะเข้ากับสนามทำให้เป็นแม่เหล็กของวัสดุสิ่งนี้สามารถทำให้วัสดุถูกดึงดูดหรือขับไล่จากสนามแม่เหล็กขึ้นอยู่กับความแข็งแกร่งของสนามและวิธีการที่มุ่งเน้นบางครั้งการจัดตำแหน่งนี้สามารถเปลี่ยนรูปร่างของวัสดุได้

สนามแม่เหล็กยังมีบทบาทในการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนผ่านวงจรและส่งผลกระทบต่อวิธีการทำงานของแม่เหล็กแนวคิดหนึ่งคือการเหนี่ยวนำซึ่งเกิดขึ้นเมื่อลวดที่มีกระแสไฟฟ้าอยู่ในสนามแม่เหล็กสายไฟรู้สึกถึงแรงที่ต่อต้านการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบันและนี่เป็นสิ่งที่ดีสำหรับอุปกรณ์เช่นหม้อแปลงไฟฟ้าและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสนามแม่เหล็กสามารถทำให้วัสดุบางอย่างปล่อยแสงซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่รู้จักกันในชื่ออิเล็กโทรไลต์สิ่งนี้ใช้ในสิ่งต่าง ๆ เช่นจอแสดงผลหน้าจอแบนและสัญญาณฉุกเฉิน

วัดสนามแม่เหล็ก

สนามแม่เหล็กสามารถวัดได้โดยใช้วิธีการต่าง ๆสนามแม่เหล็กวัดความแข็งแรงและทิศทางของสนามแม่เหล็กอย่างแม่นยำแม่เหล็กไฟฟ้าสร้างสนามแม่เหล็กเมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดสามารถใช้สำหรับการวัดได้เข็มทิศเสนอวิธีง่ายๆในการกำหนดทิศทางของสนามวิธีการเหล่านี้ช่วยให้การประเมินสนามแม่เหล็กที่ถูกต้องอำนวยความสะดวกในการศึกษาและการประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยีต่าง ๆ

รูปที่ 6: Magnetometer

รูปที่ 7: แม่เหล็กไฟฟ้า

ตัวบ่งชี้ฟิลด์

ตัวบ่งชี้ภาคสนามเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับการวัดสนามแม่เหล็กให้ข้อมูลเชิงคุณภาพและบางครั้งเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมแม่เหล็กอุปกรณ์เหล่านี้ใช้ใบพัดเหล็กอ่อนที่เคลื่อนที่เพื่อตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กการตรวจสอบรายละเอียดเช่นภาพเอ็กซ์เรย์เผยกลไกภายในของพวกเขาใบพัดเหล็กติดอยู่กับเข็มซึ่งเคลื่อนย้ายตัวชี้ไปตามสเกลโดยแปลงอิทธิพลของสนามแม่เหล็กให้เป็นค่าที่อ่านได้

รูปที่ 8: ตัวบ่งชี้ฟิลด์

ตัวชี้วัดฟิลด์ได้รับความแม่นยำผ่านการปรับแต่งและการสอบเทียบสิ่งนี้ช่วยให้พวกเขาให้ข้อมูลเชิงปริมาณที่ถูกต้องภายในช่วงเฉพาะพวกเขาวัดสนามแม่เหล็กจาก +20 Gauss ถึง -20 Gauss ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานเช่นการตรวจจับสนามแม่เหล็กที่เหลือหลังจากการกำจัดแม่เหล็กแม้ว่าช่วงของพวกเขาจะถูก จำกัด แต่ความแม่นยำและความน่าเชื่อถือของพวกเขาทำให้พวกเขามีประโยชน์สำหรับการวัดสนามแม่เหล็กโดยละเอียดภายในข้อ จำกัด เหล่านี้ในการใช้งานจริงตัวชี้วัดภาคสนามมีความสามารถในสถานการณ์ที่ต้องใช้การวัดที่เรียบง่ายและแข็งแกร่งโดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนความเรียบง่ายเชิงกลของพวกเขาช่วยให้มั่นใจได้ว่าการใช้งานและความทนทานทำให้พวกเขาเป็นทางเลือกที่ต้องการในการตั้งค่าอุตสาหกรรมและห้องปฏิบัติการที่หลากหลายซึ่งจำเป็นต้องมีการวัดที่รวดเร็วและเชื่อถือได้

Hall-Effect (gauss/tesla) เมตร

รูปที่ 9: Hall-Effect

ฮอลล์เอฟเฟกต์มิเตอร์เป็นเครื่องมือขั้นสูงสำหรับการวัดความแข็งแรงของสนามแม่เหล็กอย่างแม่นยำโดยให้การอ่านในเกาส์หรือเทสลาซึ่งแตกต่างจากตัวชี้วัดสนามเครื่องจักรกลวัดเอฟเฟกต์ฮอลล์ใช้ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์เพิ่มความแม่นยำและความหลากหลายพวกเขามีตัวนำขนาดเล็กหรือองค์ประกอบเซมิคอนดักเตอร์ที่ปลายโพรบเมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านองค์ประกอบนี้ในสนามแม่เหล็กอิเล็กตรอนจะถูกแทนที่ด้วยด้านหนึ่งสร้างความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าที่เรียกว่า Hall Voltage ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ค้นพบโดย Edwin H. Hall ในปี 1879

รูปที่ 10: แผนผังไดอะแกรมของ Hall-Effect Meter

ความสัมพันธ์ที่ควบคุมแรงดันไฟฟ้านี้ได้รับจาก:

ที่ไหน:

• VH เป็นแรงดันฮอลล์

•ฉันเป็นกระแสที่ใช้แล้ว

• B เป็นส่วนประกอบสนามแม่เหล็กตั้งฉาก

• RH เป็นค่าสัมประสิทธิ์ฮอลล์

• B คือความหนาขององค์ประกอบฮอลล์

เครื่องวัดฮอลล์เอฟเฟกต์มาพร้อมกับโพรบต่าง ๆ ที่มีองค์ประกอบสัมผัส (ตามขวาง) หรือองค์ประกอบการตรวจจับตามแนวแกนโพรบเหล่านี้มีอยู่ในขนาดที่แตกต่างกันได้รับการปรับแต่งสำหรับช่วงการวัดที่เฉพาะเจาะจงช่วยให้มีความยืดหยุ่นในสถานการณ์ต่าง ๆการอ่านที่แม่นยำขึ้นอยู่กับการวางตำแหน่งโพรบที่ถูกต้องโดยมีเส้นแม่เหล็กของแรงตัดกับขนาดที่สำคัญขององค์ประกอบการตรวจจับที่มุมขวาความหลากหลายของเครื่องวัดผลกระทบฮอลล์ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่หลากหลายตั้งแต่การผลิตอุตสาหกรรมไปจนถึงการวิจัยทางวิทยาศาสตร์การอ่านค่าดิจิตอลและความเข้ากันได้กับระบบดิจิตอลอื่น ๆ ช่วยเพิ่มยูทิลิตี้ในสภาพแวดล้อมอัตโนมัติที่ทันสมัยโดยการเรียนรู้ตำแหน่งโพรบและฟิสิกส์ของเอฟเฟกต์ฮอลล์ผู้ใช้สามารถใช้ประโยชน์จากเครื่องมือขั้นสูงเหล่านี้อย่างเต็มที่สำหรับการวัดสนามแม่เหล็กที่แม่นยำ

สนามแม่เหล็กตามยาว

สนามแม่เหล็กตามยาวถูกสร้างขึ้นในส่วนประกอบที่ยาวกว่าที่กว้างสิ่งนี้มักจะทำโดยการวางส่วนประกอบตามยาวในสนามแม่เหล็กเข้มข้นภายในขดลวดหรือโซลินอยด์เรียกว่า "ช็อตคอยล์"ภายในส่วนประกอบเส้นฟลักซ์แม่เหล็กจะตรงเคลื่อนตัวจากปลายด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่งแม้ว่าฟลักซ์บางตัวจะหายไปแผนภาพแสดงสิ่งนี้ในสองมิติ แต่เส้นฟลักซ์นั้นเป็นจริงสามมิติวัสดุ Ferromagnetic มีความหนาแน่นของสายฟลักซ์ที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับอากาศเนื่องจากการซึมผ่านที่สูงขึ้น

เมื่อฟลักซ์ออกจากวัสดุที่ปลายและเข้าสู่อากาศมันก็แพร่กระจายออกไปเนื่องจากอากาศไม่สามารถรองรับสายฟลักซ์ได้มากเท่าที่มีต่อปริมาตรหน่วยการแพร่กระจายนี้ทำให้เส้นฟลักซ์บางเส้นออกจากด้านข้างของส่วนประกอบเมื่อส่วนประกอบถูกทำให้เป็นแม่เหล็กอย่างเต็มที่ตามความยาวของมันการสูญเสียฟลักซ์จะน้อยที่สุดส่งผลให้ความหนาแน่นฟลักซ์สม่ำเสมอเมื่อทำการทดสอบแบบไม่ทำลาย (NDT) ความสม่ำเสมอที่มีข้อบกพร่องตั้งฉากกับเส้นฟลักซ์ทำให้สนามรั่วไหลที่ตรวจพบได้ที่พื้นผิว

รูปที่ 11: สนามแม่เหล็กตามยาว

อย่างไรก็ตามการใช้โซลินอยด์เพื่อดึงดูดส่วนประกอบอาจส่งผลให้เพียงบางส่วนของมันถูกแม่เหล็กอย่างมากพื้นที่ภายในโซลินอยด์และระยะขอบเล็ก ๆ ทั้งสองด้านจะถูกทำให้เป็นแม่เหล็กในขณะที่นอกเหนือจากนี้เส้นฟลักซ์จะออกจากส่วนประกอบและกลับไปที่เสาของโซลินอยด์นี่เป็นเพราะแรงแม่เหล็กลดลงด้วยระยะทางจากโซลินอยด์จัดแนวโดเมนแม่เหล็กภายในและใกล้เคียงส่วนที่ไม่ได้ทำให้เป็นแม่เหล็กของส่วนประกอบไม่สามารถรองรับฟลักซ์ได้มากเท่ากับส่วนที่มีแม่เหล็กบังคับให้ฟลักซ์บางส่วนออกจากส่วนประกอบในการตรวจสอบส่วนประกอบที่มีความยาวอย่างละเอียดพวกเขาจะต้องได้รับแม่เหล็กและตรวจสอบในหลายสถานที่ตามความยาวของพวกเขา

สนามแม่เหล็กวงกลม

เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำที่เป็นของแข็งมันจะสร้างสนามแม่เหล็กรอบตัวนำการกระจายและความเข้มของสนามขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการที่ศูนย์กลางของตัวนำความแรงของสนามเป็นศูนย์ถึงสูงสุดที่พื้นผิวสำหรับกระแสคงที่ความแรงของสนามผิวจะลดลงเมื่อรัศมีของตัวนำเพิ่มขึ้นแม้ว่าตัวนำขนาดใหญ่จะสามารถส่งกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้นด้านนอกตัวนำความแรงของสนามนั้นเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกระแสในขณะที่อยู่ข้างในมันขึ้นอยู่กับกระแสการซึมผ่านของแม่เหล็กของวัสดุและตำแหน่งของมันบนเส้นโค้ง B-Hความแรงของสนามนอกตัวนำจะลดลงตามระยะทาง

ในตัวนำที่ไม่ได้เป็นแม่เหล็กที่มีกระแสไฟฟ้าโดยตรง (DC) ความแรงของสนามภายในเพิ่มขึ้นจากศูนย์ที่กึ่งกลางถึงสูงสุดที่พื้นผิวในขณะที่ความแรงของสนามภายนอกลดลงตามระยะห่างจากพื้นผิวในวัสดุแม่เหล็กความแรงของสนามภายในจะสูงขึ้นเนื่องจากการซึมผ่านของวัสดุความแรงของสนามภายนอกยังคงเหมือนเดิมสำหรับวัสดุทั้งสองหากรัศมีปัจจุบันและตัวนำนั้นเหมือนกัน

ด้วยกระแสสลับกัน (AC) ความแรงของสนามภายในก็เพิ่มขึ้นจากศูนย์ที่กึ่งกลางเป็นสูงสุดที่พื้นผิว แต่มีความเข้มข้นในชั้นบาง ๆ ใกล้กับพื้นผิวหรือที่เรียกว่า "ผลกระทบของผิวหนัง"สนามภายนอกจะลดลงตามระยะทางคล้ายกับ DCในตัวนำวงกลมกลวงไม่มีสนามแม่เหล็กอยู่ในพื้นที่ว่างความแรงของสนามเริ่มต้นจากศูนย์ที่ผนังด้านในและถึงสูงสุดที่ผนังด้านนอกเช่นเดียวกับตัวนำที่เป็นของแข็งวัสดุแม่เหล็กแสดงความแข็งแรงของสนามมากขึ้นเนื่องจากการซึมผ่านของพวกเขาด้วยสนามภายนอกลดลงตามระยะทางจากพื้นผิว

ในตัวนำกลวงที่มี AC เอฟเฟกต์ผิวจะเน้นสนามแม่เหล็กที่เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกความแรงของสนามที่พื้นผิวด้านในของตัวนำกลวงนั้นต่ำมากเมื่อสนามแม่เหล็กแบบวงกลมถูกสร้างขึ้นโดยการดึงดูดโดยตรงดังนั้นจึงไม่แนะนำวิธีการโดยตรงสำหรับการตรวจสอบผนังเส้นผ่าศูนย์กลางภายใน (ID) ขององค์ประกอบกลวงสำหรับข้อบกพร่องตื้นความแรงของสนามเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจาก ID ภายนอกทำให้ข้อบกพร่องที่ตรวจพบได้ลึกขึ้น

วิธีที่ดีกว่าสำหรับการดึงดูดส่วนประกอบกลวงสำหรับการตรวจสอบพื้นผิวทั้ง ID และเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก (OD) กำลังใช้ตัวนำกลางผ่านกระแสไฟฟ้าผ่านตัวนำกลางแม่เหล็กเช่นแถบทองแดงสร้างสนามแม่เหล็กที่แข็งแกร่งขึ้นบนพื้นผิว ID ของท่อแม่เหล็กในขณะที่ยังคงรักษาความแข็งแรงของสนามที่เพียงพอสำหรับการตรวจจับข้อบกพร่องบนพื้นผิว OD

รูปที่ 12: สนามแม่เหล็กแบบวงกลม

สนามแม่เหล็กรอบตัวนำ

เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำสนามแม่เหล็กจะเกิดขึ้นรอบ ๆปรากฏการณ์นี้สามารถแสดงให้เห็นโดยใช้การยื่นเหล็กบนกระดาษแข็งที่มีตัวนำแนวตั้งผ่านไม่มีกระแสไฟฟ้าไม่มีสนามแม่เหล็ก แต่ด้วยกระแสไฟที่ยื่นในวงแหวนศูนย์กลางรอบตัวนำสามารถสำรวจทิศทางของสนามแม่เหล็กรอบตัวนำที่พกพากระแสไฟฟ้าได้โดยใช้เข็มทิศแม่เหล็กเข็มทิศเข็มเข็มทิศจัดเรียงตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกาทั้งนี้ขึ้นอยู่กับทิศทางของปัจจุบันกฎสกรูมือขวาและกฎมือขวาเป็นวิธีที่ใช้งานง่ายในการกำหนดทิศทางการไหลของแม่เหล็กรอบตัวนำเมื่อตัวนำสองตัวพกพากระแสไปในทิศทางตรงกันข้ามสนามแม่เหล็กของพวกเขาจะต่อต้านซึ่งกันและกันสร้างพลังที่น่ารังเกียจหากกระแสน้ำไหลไปในทิศทางเดียวกันสนามแม่เหล็กจะรวมเข้าด้วยกัน

เมื่อลวดมีกระแสไฟฟ้าเส้นสนามแม่เหล็กรอบ ๆ มันจะเป็นวงกลมเกือบสมบูรณ์แบบวงกลมเหล่านี้อยู่ตรงกลางบนลวดแสดงให้เห็นว่าสนามแม่เหล็กกระจายออกจากสายไฟอย่างไรยิ่งคุณไปจากสายไฟมากเท่าไหร่สนามแม่เหล็กก็จะอ่อนแอลงเท่านั้นหากลวดก่อตัวเป็นห่วงวงกลมจะใหญ่ขึ้นเมื่อคุณเคลื่อนที่ไปที่กึ่งกลางของลูปซึ่งหมายความว่าสนามแม่เหล็กกระจายออกไปมากขึ้นใกล้ตรงกลางวงกลมเหล่านี้จะเปลี่ยนเป็นเส้นตรงแบบขนานแสดงให้เห็นว่าสนามแม่เหล็กที่นี่มีความสม่ำเสมอความสม่ำเสมอนี้ทำให้ง่ายต่อการคำนวณและใช้สนามแม่เหล็กในเทคโนโลยีและวิทยาศาสตร์

รูปที่ 13: ตัวนำกระแสไฟฟ้าสนามแม่เหล็ก

ที่ศูนย์กลางของลูปสนามแม่เหล็กเกือบจะมีความแข็งแรงเหมือนกันทุกที่สนามนี้เป็นสิ่งที่ดีสำหรับสิ่งต่าง ๆ เช่นเครื่อง MRI ซึ่งสนามแม่เหล็กคงที่เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการถ่ายภาพที่แม่นยำนอกจากนี้ยังมีพื้นที่ที่มั่นคงสำหรับการทดลองที่ขึ้นอยู่กับสนามแม่เหล็กที่คาดการณ์ได้ความแข็งแรงของสนามแม่เหล็กที่กึ่งกลางของลูปขึ้นอยู่กับกระแสที่ไหลผ่านลวดกระแสมากขึ้นหมายถึงสนามแม่เหล็กที่แข็งแกร่งความแรงของสนามแม่เหล็กนั้นแข็งแกร่งขึ้นหากลูปมีขนาดเล็กลงและอ่อนลงหากลูปมีขนาดใหญ่ขึ้น

สนามแม่เหล็กรอบขดลวด

การผ่านกระแสผ่านขดลวดแม้จะมีเทิร์นเดียวก็สร้างฟลักซ์แม่เหล็กผ่านศูนย์กลางของขดลวดทำให้ขั้วเหนือและขั้วใต้เหมือนแม่เหล็กขนาดเล็กเมื่อขดลวดมีหลายรอบสร้างโซลินอยด์สนามแม่เหล็กแต่ละตัวเชื่อมโยงกันสร้างสนามแบบครบวงจรคล้ายกับแท่งแม่เหล็กกฎมือขวาสามารถกำหนดทิศทางฟลักซ์ในโซลินอยด์ซึ่งทิศทางการไหลของกระแสและฟลักซ์แม่เหล็กมีความสัมพันธ์กัน

รูปที่ 14: สนามแม่เหล็กรอบขดลวด

เมื่อไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านสายไฟมันจะสร้างสนามแม่เหล็กวงกลมรอบ ๆความคิดพื้นฐานในแม่เหล็กไฟฟ้านี้เรียกว่าสนามแม่เหล็กจากตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าคุณสามารถหาทิศทางของสนามแม่เหล็กนี้โดยใช้กฎมือขวา: หากคุณชี้นิ้วโป้งขวาของคุณไปในทิศทางของกระแสไฟฟ้านิ้วของคุณจะขดตัวในทิศทางของสนามแม่เหล็กฟิลด์นี้สามารถทำให้เกิดผลที่เห็นได้ชัดเจนเช่นการเคลื่อนที่เข็มของเข็มทิศแม่เหล็กแสดงให้เห็นว่ากระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กมีปฏิกิริยาอย่างไร

ความแข็งแรงของสนามแม่เหล็กขึ้นอยู่กับปัจจัยหลักสองประการ: คุณมาจากลวดไกลแค่ไหนและความแข็งแรงของกระแสคือสนามนั้นแข็งแกร่งขึ้นเมื่อคุณเข้าใกล้ลวดมากขึ้นและแข็งแกร่งขึ้นเมื่อกระแสเพิ่มขึ้นสิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าความแรงของสนามแม่เหล็กนั้นเกี่ยวข้องโดยตรงกับกระแส

ขดลวดลวด (โซลินอยด์)

รูปที่ 15: สนามแม่เหล็กโซลินอยด์

โซลินอยด์เป็นขดลวดของลวดที่ทำให้สนามแม่เหล็กแข็งแรงขึ้นเมื่อไฟฟ้าไหลผ่านโซลินอยด์ทำโดยการห่อลวดให้เป็นรูปทรงเกลียวสร้างสนามแม่เหล็กเหมือนแม่เหล็กแท่งภายในโซลินอยด์สนามแม่เหล็กนั้นแข็งแกร่งและแม้กระทั่งเพราะสนามเล็ก ๆ จากแต่ละขดลวดนั้นเพิ่มขึ้นคุณสามารถใช้กฎมือขวาเพื่อค้นหาทิศทางของสนามแม่เหล็กของโซลินอยด์: หากนิ้วของคุณชี้ไปในทิศทางของกระแสไฟนิ้วหัวแม่มือของคุณชี้ไปที่ขั้วโลกเหนือของแม่เหล็กไฟฟ้า

สนามแม่เหล็กของโซลินอยด์นั้นคล้ายกับแท่งแม่เหล็กและเปลี่ยนทิศทางเมื่อกระแสกลับแสดงให้เห็นว่าสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างไรสูตรสำหรับสนามแม่เหล็กภายในโซลินอยด์คือ b = μ₀niโดยที่ n คือจำนวนขดลวดต่อความยาวหน่วยและฉันเป็นกระแสสูตรนี้แสดงให้เห็นว่าการเพิ่มขดลวดมากขึ้นหรือการเพิ่มกระแสไฟฟ้าทำให้สนามแม่เหล็กแข็งแกร่งขึ้นโซลินอยด์ใช้ในเครื่องสแกนเนอร์ MRI และการทดลองทางฟิสิกส์เพราะพวกเขาสร้างสนามแม่เหล็กที่แข็งแกร่งและสม่ำเสมอ

ตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าเป็นรูปตัวเป็นขดลวด

รูปที่ 16: การเปลี่ยนเอฟเฟกต์ของคอยล์พกพากระแสในสนามแม่เหล็ก

เมื่อกระแสไฟที่มีลวดมีรูปร่างเป็นห่วงหรือชุดของลูปมันจะสร้างสนามแม่เหล็กที่เป็นเอกลักษณ์สนามนี้ผ่านศูนย์กลางของขดลวดและวงกลมกลับด้านนอกฟิลด์จากแต่ละลูปรวมกันเพื่อสร้างสนามที่มีความเข้มข้นตามศูนย์กลางของขดลวดในขดลวดที่มีบาดแผลแน่นสิ่งนี้ทำให้สนามแม่เหล็กอยู่ในชุดที่สม่ำเสมอมากความแข็งแกร่งของฟิลด์นี้ขึ้นอยู่กับกระแสและจำนวนลูปลูปมากขึ้นทำให้สนามแข็งแกร่งขึ้นซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมขดลวดตรง (โซลินอยด์) ยาว (โซลินอยด์) มีประสิทธิภาพในการสร้างสนามที่แข็งแกร่งและสม่ำเสมอเช่นแท่งแม่เหล็ก

สนามแม่เหล็กที่แข็งแกร่งและสม่ำเสมอภายในโซลินอยด์มีประโยชน์สำหรับวัสดุแม่เหล็กและใช้ในวงจรไฟฟ้าหม้อแปลงและอุปกรณ์อื่น ๆสนามแม่เหล็กที่อยู่นอกขดลวดนั้นอ่อนแอซึ่งไม่เป็นประโยชน์สำหรับการแม่เหล็กสิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของเขตข้อมูลภายในของโซลินอยด์สำหรับการใช้งานจริงโซลินอยด์ยังใช้ในเครื่องเร่งความเร็วอนุภาคและเซ็นเซอร์แสดงให้เห็นถึงการใช้งานที่หลากหลายในเทคโนโลยีและวิทยาศาสตร์

ตั้งค่าสนามแม่เหล็ก

สนามแม่เหล็กจะถูกสร้างขึ้นเมื่อใดก็ตามที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านลวดหรือขดลวดกฎมือขวาช่วยในการกำหนดทิศทางของสนามแม่เหล็ก: ชี้นิ้วหัวแม่มือขวาของคุณในทิศทางของกระแสไฟฟ้าและนิ้วของคุณจะขดตัวในทิศทางของเส้นสนามแม่เหล็ก

ในการสร้างสนามแม่เหล็กที่แข็งแกร่งคุณต้องใช้แม่เหล็กไฟฟ้าแม่เหล็กไฟฟ้ารวมกระแสไฟฟ้าเข้ากับวัสดุแม่เหล็กซึ่งมักจะเป็นเหล็กเพื่อเพิ่มผลแม่เหล็กสิ่งนี้ใช้ในหลาย ๆ สิ่งตั้งแต่อุปกรณ์ขนาดเล็กไปจนถึงเครื่องจักรขนาดใหญ่ที่ยกวัตถุโลหะหนักความแข็งแรงของสนามแม่เหล็กขึ้นอยู่กับจำนวนลวดที่ล้อมรอบแกนกลางปริมาณกระแสไฟฟ้าและคุณสมบัติของลวดและวัสดุหลัก

เริ่มต้นด้วยการเลือกชิ้นส่วนของเหล็กเช่นก้านที่มีความยาวหกถึงแปดนิ้วเช่นเล็บขนาดใหญ่ขนาดของแกนเหล็กอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับสิ่งที่คุณต้องการแม่เหล็กไฟฟ้าสำหรับเมื่อคุณมีแกนกลางให้ห่อด้วยลวดแม่เหล็กจากปลายด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่งลวดควรได้รับแผลอย่างใกล้ชิดและปลอดภัยโดยมีลวดซ้ายแขวนอยู่ที่ปลายแต่ละด้านเพื่อการเชื่อมต่อเทปลวดให้แน่นกับก้าน

ก่อนที่จะเชื่อมต่อแม่เหล็กไฟฟ้าเข้ากับแหล่งพลังงานให้ดึงฉนวนออกจากนิ้วสุดท้ายของปลายลวดแต่ละอันให้ความร้อนกับฉนวนด้วยไฟแช็กหรือจับคู่จนกว่าจะนุ่มพอที่จะลบออกจากนั้นทำความสะอาดสิ่งตกค้างใด ๆ ด้วยผ้าเพื่อการเชื่อมต่อไฟฟ้าที่ดีแนบลวดที่สัมผัสกับแบตเตอรี่โคมไฟการตั้งค่านี้ช่วยให้กระแสไหลผ่านลวดสร้างสนามแม่เหล็กรอบแกนเหล็กแสดงพื้นฐานของแม่เหล็กไฟฟ้าในการสร้างสนามแม่เหล็กที่แข็งแกร่ง

มีสองวิธีหลักในการสร้างสนามแม่เหล็กที่แข็งแกร่งครั้งแรกคือการใช้โซลินอยด์ซึ่งเป็นขดลวดของลวดที่ทำให้สนามแม่เหล็กเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านวิธีที่สองคือการใส่แกนเหล็กภายในโซลินอยด์ซึ่งทำให้สนามแม่เหล็กแข็งแกร่งขึ้นมากโดยการลดความต้านทานแม่เหล็กแกนเหล็กมีขีด จำกัด ว่ามันจะทำให้สนามแม่เหล็กแข็งแกร่งเพียงใดที่รู้จักกันในชื่อความอิ่มตัวเมื่อถึงจุดนี้มันจะไม่สามารถทำให้สนามแข็งแกร่งขึ้นได้นี่คือคุณสมบัติของเหล็กเองและถึงแม้จะมีการวิจัยอย่างต่อเนื่องการค้นหาวัสดุที่สามารถเกินมูลค่าความอิ่มตัวของ Iron ก็ไม่น่าเป็นไปได้ดังนั้นความแข็งแรงของสนามแม่เหล็กจึงถูก จำกัด ด้วยคุณสมบัติของแกนเหล็กและโซลูชันใหม่นั้นเกินขีด จำกัด เหล่านี้

การประยุกต์ใช้สนามแม่เหล็ก

สนามแม่เหล็กมีการใช้งานมากมายรวมถึงการผลิตไฟฟ้าการถ่ายภาพทางการแพทย์และการขนส่งพวกเขาเป็นส่วนสำคัญในการปฏิบัติการเครื่อง MRI และฝึกอบรมการลอยตัวMagnets เก็บข้อมูลเกี่ยวกับฮาร์ดไดรฟ์และบัตรเครดิตมีบทบาทในเทคโนโลยีที่ทันสมัยสนามแม่เหล็กของโลกปกป้องเราจากการแผ่รังสีจักรวาลที่เป็นอันตรายโดยเน้นถึงความสำคัญของชีวิตการใช้งานที่หลากหลายของสนามแม่เหล็กตอกย้ำความสำคัญของพวกเขาในชีวิตประจำวันและความพยายามทางวิทยาศาสตร์ขั้นสูง

บทสรุป

สนามแม่เหล็กมีประโยชน์ในพื้นที่ทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีมากมายตั้งแต่หลักการพื้นฐานของพฤติกรรมอิเล็กตรอนในวัสดุไปจนถึงการใช้งานขั้นสูงในการถ่ายภาพทางการแพทย์และการจัดเก็บข้อมูลการจัดการที่แม่นยำและการวัดสนามแม่เหล็กได้นำไปสู่ความก้าวหน้าที่สำคัญรวมถึงการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กโทรไลต์การผลิตพลังงานที่มีประสิทธิภาพและระบบการขนส่งขั้นสูงการศึกษาสนามแม่เหล็กรอบตัวนำและขดลวดให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้าช่วยให้การสร้างอุปกรณ์ที่มีคุณสมบัติแม่เหล็กที่คาดเดาได้และควบคุมได้เทคนิคเช่นกฎทางขวามือและหลักการของการเหนี่ยวนำเป็นสิ่งที่ดีสำหรับการออกแบบและเพิ่มประสิทธิภาพอุปกรณ์เหล่านี้วิธีการสร้างสนามแม่เหล็กที่แข็งแกร่งเช่นการใช้โซลินอยด์และแกนเหล็กแสดงนวัตกรรมอย่างต่อเนื่องในเทคโนโลยีแม่เหล็กไฟฟ้าการประยุกต์ใช้สนามแม่เหล็กนั้นนอกเหนือไปจากการใช้งานทางอุตสาหกรรมและเทคโนโลยีโดยเน้นถึงความสำคัญของพวกเขาในชีวิตประจำวันและการวิจัยทางวิทยาศาสตร์การทำความเข้าใจกับสนามแม่เหล็กไม่เพียง แต่พัฒนาความรู้ทางวิทยาศาสตร์ แต่ยังผลักดันนวัตกรรมในหลายพื้นที่แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของการเรียนรู้ปรากฏการณ์แม่เหล็กไฟฟ้า

คำถามที่พบบ่อย [คำถามที่พบบ่อย]

1. คุณจะอธิบายสนามแม่เหล็กรอบขดลวดได้อย่างไร?

สนามแม่เหล็กรอบขดลวดหรือที่เรียกว่าโซลินอยด์นั้นคล้ายกับสนามแม่เหล็กแท่งภายในขดลวดเส้นสนามแม่เหล็กนั้นมีความหนาแน่นสูงและเว้นระยะสม่ำเสมอซึ่งบ่งบอกถึงสนามที่แข็งแกร่งและสม่ำเสมอด้านนอกขดลวดสนามแม่เหล็กจะกระจายออกไปและวนกลับจากปลายด้านหนึ่งของขดลวดไปอีกด้านหนึ่งทำให้เกิดลูปปิดทิศทางของเส้นสนามถูกกำหนดโดยทิศทางของกระแสที่ไหลผ่านขดลวดตามกฎขวามือ

2. สนามแม่เหล็กรอบตัวนำคืออะไร?

เมื่อกระแสไหลผ่านตัวนำตรงมันจะสร้างสนามแม่เหล็กรอบ ๆฟิลด์นี้ก่อให้เกิดวงกลมศูนย์กลางรอบตัวนำโดยมีทิศทางของเส้นสนามที่กำหนดโดยกฎมือขวา: หากคุณเข้าใจตัวนำด้วยมือขวาของคุณทิศทางของสนามแม่เหล็กความแข็งแรงของสนามแม่เหล็กลดลงเมื่อคุณย้ายออกจากตัวนำ

3. อะไรเป็นสาเหตุของการก่อตัวของสนามแม่เหล็กรอบตัวนำ?

สนามแม่เหล็กก่อตัวรอบตัวนำเนื่องจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า (กระแส)เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านตัวนำพวกมันจะสร้างสนามแม่เหล็กตั้งฉากกับทิศทางของการเคลื่อนไหวนี่เป็นผลโดยตรงจากกฎหมายวงจรของAmpèreซึ่งเกี่ยวข้องกับสนามแม่เหล็กรอบตัวนำไปยังกระแสไฟฟ้าที่ผ่านมันไป

4. จะเกิดอะไรขึ้นถ้าคุณย้ายแม่เหล็กไปยังขดลวดลวด?

เมื่อแม่เหล็กถูกย้ายเข้าไปในขดลวดลวดมันจะทำให้เกิดแรงไฟฟ้า (EMF) ในขดลวดสร้างกระแสไฟฟ้าปรากฏการณ์นี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าที่ค้นพบโดย Michael Faradayทิศทางของกระแสไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำขึ้นอยู่กับทิศทางของการเคลื่อนที่ของแม่เหล็กและการวางแนวของสนามแม่เหล็กหากแม่เหล็กถูกเคลื่อนย้ายเร็วขึ้นหรือมีสนามแม่เหล็กที่แข็งแกร่งขึ้น EMF ที่เหนี่ยวนำและกระแสจะแข็งแกร่งขึ้น

5. รูปแบบของสนามแม่เหล็กรอบตัวนำคืออะไร?

รูปแบบสนามแม่เหล็กรอบตัวนำตรงที่มีกระแสไฟฟ้ามีลักษณะโดยวงกลมศูนย์กลางที่มีศูนย์กลางอยู่ที่ตัวนำหากตัวนำถูกงอเข้าไปในลูปเส้นสนามจะสร้างรูปแบบที่ซับซ้อนมากขึ้นโดยมีสนามภายในวงที่แข็งแกร่งและเข้มข้นมากขึ้นสำหรับโซลินอยด์สนามด้านในนั้นมีความสม่ำเสมอและขนานกันในขณะที่ข้างนอกมันมีลักษณะคล้ายกับสนามแม่เหล็กแท่ง

6. สนามแม่เหล็กรอบขดลวดสามารถทำให้แข็งแกร่งขึ้นได้อย่างไร?

เพื่อให้สนามแม่เหล็กรอบขดลวดแข็งแรงขึ้นคุณสามารถ:

เพิ่มกระแสไหลผ่านขดลวด;

เพิ่มการเลี้ยวไปยังขดลวดเพิ่มจำนวนลูป;

แทรกแกน ferromagnetic เช่นเหล็กภายในขดลวดเพื่อเพิ่มสนามแม่เหล็กเนื่องจากการซึมผ่านของแม่เหล็กสูงของแกนกลาง

7. สนามแม่เหล็กที่แข็งแกร่งที่สุดอยู่ที่ไหน?

สนามแม่เหล็กนั้นแข็งแกร่งที่สุดภายในขดลวดโดยเฉพาะอย่างยิ่งใกล้กับศูนย์กลางซึ่งเส้นสนามมีความเข้มข้นมากที่สุดและขนานกันอย่างสม่ำเสมอในแท่งแม่เหล็กสนามแม่เหล็กนั้นแข็งแกร่งที่สุดที่เสาซึ่งเส้นสนามมาบรรจบกันและความหนาแน่นของสนามสูงที่สุด