Eine besondere Form der Existenz von Materie - das Magnetfeld der Erde trug zur Entstehung und Erhaltung des Lebens bei. Fragmente dieses Feldes, Erzstücke, die Eisen anziehen, führten Elektrizität in den Dienst der Menschheit. Ohne Strom wäre ein Überleben undenkbar.
Inhalt
Was sind magnetische induktionslinien
Das Magnetfeld wird durch die Stärke an jedem Punkt in seinem Raum bestimmt. Kurven, die betragsmäßig gleich große Feldpunkte vereinen, heißen magnetische Induktionslinien. Die magnetische Feldstärke an einem bestimmten Punkt ist eine Leistungskenngröße, zu deren Auswertung der Magnetfeldvektor B dient, dessen Richtung an einem bestimmten Punkt auf der magnetischen Induktionslinie tangential dazu verläuft.
Wird ein Punkt im Raum von mehreren Magnetfeldern beeinflusst, so wird die Intensität durch Aufsummieren der magnetischen Induktionsvektoren jedes einwirkenden Magnetfeldes bestimmt. Dabei wird die Intensität an einem bestimmten Punkt betragsmäßig aufsummiert und der magnetische Induktionsvektor als Summe der Vektoren aller Magnetfelder definiert.
Obwohl die magnetischen Induktionslinien unsichtbar sind, haben sie bestimmte Eigenschaften:
- Es ist allgemein anerkannt, dass die magnetischen Feldlinien am Pol (N) austreten und von (S) zurückkehren.
- Die Richtung des magnetischen Induktionsvektors ist tangential zur Linie.
- Trotz der komplexen Form schneiden sich die Kurven nicht und schließen sich notwendigerweise.
- Das Magnetfeld im Inneren des Magneten ist gleichmäßig und die Liniendichte maximal.
- Nur eine magnetische Induktionslinie geht durch den Feldpunkt.
Die Richtung der magnetischen Induktionslinien in einem Permanentmagneten
Historisch gesehen ist an vielen Orten der Erde die natürliche Eigenschaft einiger Steine, Eisenprodukte anzuziehen, seit langem bekannt. Im Laufe der Zeit wurden im alten China Pfeile, die auf eine bestimmte Weise aus Eisenerzstücken (magnetischem Eisenerz) geschnitzt wurden, zu Kompassen, die die Richtung zum Nord- und Südpol der Erde anzeigen und es Ihnen ermöglichen, sich im Gelände zurechtzufinden.
Untersuchungen dieses Naturphänomens haben ergeben, dass eine stärkere magnetische Eigenschaft in Eisenlegierungen länger anhält. Schwächere natürliche Magnete sind Erze, die Nickel oder Kobalt enthalten. Beim Studium der Elektrizität lernten die Wissenschaftler, wie man künstlich magnetisierte Produkte aus Legierungen erhält, die Eisen, Nickel oder Kobalt enthalten.Dazu wurden sie in ein durch Gleichstrom erzeugtes Magnetfeld eingebracht und gegebenenfalls durch Wechselstrom entmagnetisiert.
Produkte, die unter natürlichen Bedingungen magnetisiert oder künstlich gewonnen werden, haben zwei verschiedene Pole - die Orte, an denen der Magnetismus am stärksten konzentriert ist. Magnete interagieren über ein Magnetfeld miteinander, so dass sich gleiche Pole abstoßen und ungleiche Pole anziehen. Dadurch werden Drehmomente für ihre Orientierung im Raum aus stärkeren Feldern, wie dem Erdfeld, erzeugt.
Eine visuelle Darstellung des Zusammenspiels von schwach magnetisierten Elementen und einem starken Magneten vermittelt das klassische Erlebnis mit auf Pappe verstreuten Stahlspänen und einem darunter liegenden flachen Magneten. Besonders wenn das Sägemehl länglich ist, ist deutlich zu sehen, wie sie sich entlang der magnetischen Feldlinien aufreihen. Durch Ändern der Position des Magneten unter dem Karton wird eine Änderung der Konfiguration ihres Bildes beobachtet. Die Verwendung von Kompassen in diesem Experiment verstärkt den Effekt des Verständnisses der Struktur des Magnetfelds weiter.
Eine der von M. Faraday entdeckten Eigenschaften magnetischer Kraftlinien legt nahe, dass sie geschlossen und kontinuierlich sind. Linien, die aus dem Nordpol eines Permanentmagneten kommen, treten in den Südpol ein. Im Inneren des Magneten öffnen sie sich jedoch nicht und treten vom Südpol nach Norden ein. Die Anzahl der Linien im Produkt ist maximal, das Magnetfeld ist gleichmäßig und die Induktion kann beim Entmagnetisieren schwächer werden.
Bestimmung der Richtung des magnetischen Induktionsvektors mit der Gimlet-Regel
Im frühen 19. Jahrhundert entdeckten Wissenschaftler, dass um einen Leiter, durch den Strom fließt, ein Magnetfeld entsteht. Die resultierenden Kraftlinien verhalten sich nach den gleichen Gesetzmäßigkeiten wie bei einem natürlichen Magneten.Darüber hinaus diente die Wechselwirkung des elektrischen Feldes eines Leiters mit Strom und dem Magnetfeld als Grundlage der elektromagnetischen Dynamik.
Das Verständnis der räumlichen Ausrichtung von Kräften in wechselwirkenden Feldern ermöglicht es uns, die axialen Vektoren zu berechnen:
- magnetische Induktion;
- Die Größe und Richtung des Induktionsstroms;
- Winkelgeschwindigkeit.
Ein solches Verständnis wurde in der Gimlet-Regel formuliert.
Kombiniert man die Translationsbewegung des rechten Bohrers mit der Richtung des Stroms im Leiter, erhält man die Richtung der magnetischen Feldlinien, die durch die Drehung des Griffs angezeigt wird.
Da es sich nicht um ein physikalisches Gesetz handelt, wird die Gimlet-Regel in der Elektrotechnik verwendet, um nicht nur die Richtung der magnetischen Feldlinien in Abhängigkeit vom Stromvektor im Leiter zu bestimmen, sondern auch umgekehrt die Richtung des Stroms in den Magnetdrähten zu bestimmen aufgrund der Rotation der magnetischen Induktionslinien.
Das Verständnis dieser Beziehung ermöglichte es Ampère, das Gesetz der rotierenden Felder zu untermauern, was zur Entwicklung von Elektromotoren verschiedener Prinzipien führte. Alle einziehbaren Geräte, die Induktoren verwenden, folgen der Gimlet-Regel.
Regel der rechten Hand
Die Bestimmung der Richtung eines Stroms, der sich in einem Magnetfeld eines Leiters bewegt (eine Seite einer geschlossenen Leiterschleife), demonstriert deutlich die Rechte-Hand-Regel.
Es besagt, dass die rechte Handfläche, die zum Nordpol gedreht ist (Feldlinien treten in die Handfläche ein), und der um 90 Grad abgelenkte Daumen die Bewegungsrichtung des Leiters zeigt, dann induziert das Magnetfeld in einem geschlossenen Stromkreis (Spule) einen elektrischen Strom , auf dessen Bewegungsvektor vier Finger zeigen.
Diese Regel zeigt, wie Gleichstromgeneratoren ursprünglich aussahen. Eine bestimmte Naturgewalt (Wasser, Wind) drehte einen geschlossenen Leiterkreis in einem Magnetfeld und erzeugte dabei Strom. Dann wandelten die Motoren, nachdem sie in einem konstanten Magnetfeld einen elektrischen Strom erhalten hatten, ihn in eine mechanische Bewegung um.
Die Rechte-Hand-Regel gilt auch für Induktivitäten. Die Bewegung des Magnetkerns in ihnen führt zum Auftreten von Induktionsströmen.
Wenn die vier Finger der rechten Hand mit der Stromrichtung in den Windungen der Spule ausgerichtet sind, zeigt der um 90 Grad abweichende Daumen zum Nordpol.
Die Regeln des Gimlet und der rechten Hand demonstrieren erfolgreich das Zusammenspiel von elektrischen und magnetischen Feldern. Sie machen es möglich, die Funktionsweise verschiedener Geräte der Elektrotechnik für fast jeden zu verstehen, nicht nur für Wissenschaftler.
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