Подробное описание энергии магнитного поля
Содержание
Магнитное поле (МП) возникает вокруг постоянных магнитов или проводников с током, а ток, как известно, это упорядоченное движение заряженных частиц. Чтобы они могли перемещаться по проводнику, электрическое поле должно совершать работу. Следовательно, при создании магнитного поля используется энергия электрического поля. То есть, энергия магнитного поля тока — это кинетическая энергия заряженных частиц, перемещающихся по проводнику. Когда ток подается на проводник, его энергия затрачивается на образование магнитного поля. Если же его отключить, то электроны не сразу остановятся, а будут какое-то время двигаться благодаря энергии магнитного поля, отдавая эту энергию проводнику.
Зависимость энергии от силы тока
Интенсивность поля, возникающего вокруг проводника с током, зависит от силы тока: чем он сильнее, тем сильнее поле. Следовательно, будет больше выделяться энергии. Для ее обозначения используют английскую букву «W».
Связь энергии с током выражается через работу, совершаемую сторонними силами источника тока по перемещению заряда:
Интегрируя данное выражение, получим
Работа всех сторонних сил уходит на создание поля, следовательно, энергия магнитного поля равна:
Как видно из формулы, величина энергии магнитного поля прямо пропорционально зависит от квадрата силы тока. Это означает, что при увеличении силы тока в 2 раза, в магнитном поле будет содержаться энергии в 4 раза больше.
Формула энергии магнитного поля тока содержит еще такой параметр, как индуктивность. Она характеризует способность проводника создавать МП при прохождении по нему электротока. Следовательно, чтобы найти энергию магнитного поля, необходимо знать силу тока, протекающего через проводник, а также его индуктивность.
Измеряется энергия в Дж/куб. метр. Но могут использоваться и другие единицы измерения энергии, например, в системе СГС применяются МГсЭ или мега гаусс эрстеды.
Основные энергетические свойства
Следует отметить такие основные свойства энергии МП, как:
- Сохранение. Энергия магнитного, как и энергия электрического поля, никогда не исчезает бесследно. Ее только можно преобразовать в энергию другого вида, например, в механическую.
- Взаимодействие с другими полями. Энергия МП может взаимодействовать с энергией электрического или гравитационного поля, способствуя их изменению.
- Зависимость от силы тока и индуктивности. Это свойство рассматривалось более подробно при анализе формулы энергии.
- Потенциальность. Энергию магнитного поля можно рассматривать как потенциальную энергию, используемую для выполнения работы. Например, ее можно преобразовать в механическую энергию, затрачиваемую на перемещение электромагнита.
Энергия поля катушки
Рассмотрим вывод формулы для определения энергии магнитного поля в катушке. Данная энергия может быть представлена в виде функции величин, являющихся характеристиками МП. Это, прежде всего, индуктивность, определение которой осуществляется по формуле:
Еще одна характеристика — напряженность, которая вычисляется с помощью выражения:
Энергия магнитного поля катушки с током зависит от индуктивности, поэтому используя первое уравнение, получим:
А после подстановки выражения для напряженности данная формула будет выглядеть так:
Так как Sl — это объем магнитного поля, то формулу, по которой вычисляется максимальная энергия магнитного поля катушки, можно представить в таком виде:
Если же учитывать, что В = 0µН, то формула с помощью которой определяется энергия однородного магнитного поля, будет выглядеть так:
Энергия магнитного поля сосредоточена внутри соленоида и распределена в нем с постоянной объемной плотностью, которая вычисляется по формуле:
Данное выражение справедливо и для однородных, и для неоднородных МП, но его можно использовать лишь для пара- и диамагнетиков, то есть, для сред, имеющих линейный график зависимости В от Н.
Объемная плотность неоднородного МП имеет разное значение в разных точках поля. Но если эти значения известны, можно вычислить энергию поля для некоторого его объема, используя интеграл:
Энергия частицы в поле
Магнитное поле взаимодействует с движущейся заряженной частицей и может изменять ее энергию. Оно действует на частицу с силой Лоренца, направленной перпендикулярно как к направлению движения частицы, так и к направлению магнитного поля. Эта сила изменяет направление движения частицы в магнитном поле, но не ее скорость.
Изменение направления движения приводит к изменению траектории частицы. Это означает, что она перемещается по криволинейной траектории в магнитном поле. Чем больше скорость частицы, тем меньше радиус кривизны траектории.
Чтобы выразить влияние магнитного поля на энергию частицы, вводится понятие циклотронной частоты и радиуса циклотронной орбиты. Циклотронная частота обозначает количество оборотов, которое частица совершает за единицу времени вокруг магнитного поля, а радиус циклотронной орбиты представляет собой расстояние, на котором частица описывает свою траекторию. Энергия частицы складывается из кинетической энергии, связанной с ее движением, и потенциальной, связанной с положением в магнитном поле.
Энергия частицы в магнитном поле может быть положительной или отрицательной. При положительной энергии частица может двигаться в рамках ограниченной области, называемой рекомбинационной областью. При отрицательной энергии частица оказывается запертой внутри магнитного поля и описывает замкнутую траекторию.
Изучение энергии частицы в магнитном поле имеет большое значение для ряда прикладных наук, таких как физика частиц, астрофизика, плазмафизика и многих других. Понимание этой концепции помогает в разработке новых технологий, например, ускорительных комплексов и синхротронов, которые используются для изучения свойств частиц и структуры материи. Комплексное изучение данной темы позволяет расширить наши знания о поведении частиц и создать новые технологии для прогресса человечества.
Как используется энергия магнитного поля
На использовании энергии МП строится принцип действия электромагнитов. Они применяются для притягивания или отталкивания металлических предметов, а также в таких устройствах, как электромагнитные датчики, клапаны, замки.
Электромагнитные двигатели позволяют получать механическую энергию движения за счет преобразования электромагнитной энергии. Без таких двигателей не смогли бы работать современные насосы, вентиляторы, стиральные машины и даже электромобили. Существуют еще устройства под названием генераторы. С их помощью энергия магнитного поля преобразуется в электрический ток, который в свою очередь используется для питания самых разных устройств. Благодаря энергии МП функционируют трансформаторы. С их помощью осуществляется передача и распределение электрической энергии.
Загрузка...
