Maqnetizmə və induksiyalı cərəyanlara giriş

CD-ROMların artması və RAM-da elektron yaddaşın istifadəsinə baxmayaraq, əksər məlumatlar hələ də maqnit olaraq saxlanılır. Bu oxu tapşırığı, maqnetizmin əsas anlayışlarını nəzərdən keçirir, sonra maqnit məlumatlarını oxumaq üçün istifadə olunan üç fərqli təsiri təqdim edir.

Maqnit sahələrinin mənbələri

Maqnit mənbələri haqqında düşüncəmiz əsrlər boyu xeyli dəyişdi. 19 -cu əsrə qədər məlum olan maqnitizmin yeganə forması ferromaqnetizm idi. Bəzi materiallar "maqnitləndikdə" digər materialları cəlb edərdi. Maqnitin cəlb etdiyi yeganə materiallar özləri maqnitlənə bilən materiallar idi. Yalnız bəzi materiallar maqnit xüsusiyyətlərini nümayiş etdirdiyindən, alimlər maqnetizmin materialların xas bir xüsusiyyəti olduğu qənaətinə gəldilər.

Daha sonra, 19 -cu əsrdə nisbətən yeni elektrik cərəyanını araşdıran elm adamları, hərəkətli yüklərin maqnit təsirləri yaratdığını kəşf etdilər. Bir tel telindən keçən bir cərəyan, oxun oxu boyunca bir maqnit sahəsi yaradır. Döngünün içindəki sahənin istiqamətini, sağ əlin barmaqlarını döngədən keçən cərəyan istiqamətində qıvraraq tapmaq olar; baş barmaq daha sonra maqnit sahəsinə işarə edir. Bu kəşflə, maqnetizmin iki fərqli şəkildə meydana gəldiyi ortaya çıxdı: materialdan asılı olaraq ferromaqnetizm və cərəyanların yaratdığı elektromaqnetlər.

(A) orbital hərəkətin

və (b) elektronun spininin klassik görünüşləri .
Atom fizikası və kimya 1900 -cü illərin əvvəllərində atomun Bohr modelinin köməyi ilə dövri cədvəli izah etməyə başladıqdan sonra atomlardakı elektronlara maqnit xassələri verildi. Elektronlar bir atomda iki növ hərəkət sərgilədi: orbital və spin. Orbital hərəkət, atomun nüvəsi ətrafında bir elektronun hərəkətinə aiddir. Yüklü bir hissəcik hərəkət etdiyi üçün bir maqnit sahəsi yarandı. Elektronların (və protonların və digər hissəciklərin) də mərkəzlərində fırlanaraq başqa bir maqnit sahəsi yaratdıqları görünürdü. Orbital hərəkət nəticəsində meydana gələn maqnit sahəsi və spin səbəbiylə olan maqnit sahəsi ləğv edə və ya əlavə edə bilər, ancaq ikisi arasındakı dəqiq birləşmə üçün ifadələr bura girmək üçün çox mürəkkəbdir. Elektronlar atomların daxilində hərəkət etdiyinə və fırlandığına görəferromaqnetizm, fərqli maddələr daxilində yüklərin hərəkəti ilə izah edilə bilər. Bir cisimdəki elektronların hamısı spinləri ilə eyni istiqamətdə cərgələnərsə, fırlanmalar əlavə olunacaq və müşahidə edilə bilən bir sahə yaradacaq.


Bu son cümlə bir qədər qeyri -realdır. Qatı maddələr inanılmaz miqdarda elektron ehtiva edir və hamısı heç vaxt tamamilə sıraya girməyəcək. Bunun əvəzinə, bir bərk ümumiyyətlə maqnitsahələrindən ibarətdir . Bir sahədə, (eşlenmemiş valans elektronları) çevrilə bilən elektronların əksəriyyəti hizalanmış olacaq. Bitişik domenlər ümumiyyətlə eyni istiqamətlərə yönəldilməyəcək. Maqnitlənmiş materiallarda bəzi domenlər ləğv ediləcək, ancaq orta sahə istiqaməti bir istiqamətdə olacaq və xalis bir maqnit sahəsi meydana gətirəcək. Maqnitlənməmiş materiallarda, domenlər təsadüfi istiqamətləndirilir və ləğv edilir, buna görə də müşahidə edilə bilən bir sahə yaradılmır. Sağdakı rəqəm bu anlayışları göstərir.

20 -ci əsrdə kvant mexanikası sayəsində tamamilə yüklərin hərəkətindən qaynaqlanan maqnit anlayışı əhəmiyyətli dərəcədə dəyişdirildi. Atomun Bohr modeli qeyri -müəyyənliyi ehtiva etmək üçün dəyişdirilməlidir. Bir elektronun traektoriyasını dəqiq müəyyən edə bilmərik və ya harada tapılacağını dəqiq deyə bilmərik. Qeyri -müəyyənlik prinsipi, bunun əvəzinə yalnız elektronun ən çox ehtimal olunduğu yeri söyləməyimizi tələb edir. Elektronun mövqeyini ölçməyincə, dalğa funksiyası Bohr tərəfindən təsvir edilən klassik orbitdə elektronu tapmaq ehtimalı daha yüksək olan bütün məkana yayılmışdır.

Spin anlayışımız da 20 -ci əsrin kəşflərinə uyğun olaraq tənzimlənməlidir. Elektronların "nöqtə hissəcikləri" olduğu düşünülür, yəni məkan ölçüləri yoxdur. Yəni fiziki olaraq mərkəzlərində fırlana bilmirlər. "Dönmə" sözü sağ qalsa da, indi kosmosda hər hansı bir fiziki fırlanma deyil, bir hissəciyin daxili xüsusiyyətinə aiddir. Elektronların və digər hissəciklərin özünəməxsus spinləri olduğundan avtomatik olaraq maqnit sahələri yaradırlar. Kvant mexanikasını nəzərdən keçirdikdən sonra bir daha iki növ maqnetizmlə qarşılaşırıq: elektronların "fırlanmasından" yaranan daxili maqnetizm və elektronların hərəkəti nəticəsində yaranan elektromaqnetizm.

Eynilə, O kimi molekulların maqnitlənməməsinin səbəbi Pauli istisna prinsipidir. Helium atomlarında olan iki elektron eyni enerji qabığını tutur və onu doldurur (birinci qabıqda yalnız 2 vəziyyət var). İstisna prinsipi heç bir iki elektronun eyni xüsusiyyətlərə malik ola bilməyəcəyini bildirir. Hər ikisinin eyni enerji qabığını tutması üçün fırlanmaları əks istiqamətə yönəldilməli və ləğv edilməlidir. Qismən doldurulmuş valent qabıqları olan bərk cisimlərdə olan elektronlar, digər elektronlarla eyni fırlanma ilə sıralana bilər və bununla da sıfıra bərabər olmayan bir maqnit sahəsi yarada bilər.

Maqnit sahələri və qüvvələri

Maqnitlər, elektrik yükləri kimi, uzaqdan da qüvvə tətbiq edə bilir. Bu səbəbdən, maqnitlərin təsirlərini, maqnit sahəsi B1 olaraq ifadə etmək, yüklərin təsirlərinin elektrik sahəsi ilə təsvir edildiyi kimi təsvir etmək faydalıdır . Bir maqnit sahəsi anlayışını əvvəlki hissədə artıq istifadə etmişik. Maqnit sahələri məkana nüfuz edir və daimi bir maqnit və ya elektromaqnitin yanında ən güclüdür. Üçün Ithe SI vahidi Bvar tesla(= 1 Vs 1 T / 2 m). Tesla kifayət qədər böyük bir maqnit sahəsidir, buna görə də tez -tez maqnit sahəsinin gücünü Gauss (1 G = 10 -4 T) baxımından sadalayırıq. Yerin maqnit sahəsinin gücü təxminən yarım gaussdur.

Elektrik sahəsi kimi maqnit sahəsi də sahə xətləri ilə təmsil oluna bilər. Bu xətlər (və maqnit sahəsi) soldakı şəkildə göstərildiyi kimi bir maqnitin şimal qütbündən bir maqnitin cənub qütbünə işarə edir.Elektrik sahə xətlərindən fərqli olaraq maqnit sahəsi xətləri həmişə bağlıdır - heç vaxt başlanğıc və ya dayanma nöqtəsi. Nə vaxt bir şimal qütbünüz varsa, bir cənub qütbünüz də olmalıdır. Bunu deməyin başqa bir yolu, maqnit monopolların (tək qütblər) mövcud olmamasıdır. Elektrik monopolları isə bol miqdarda mövcuddur. Nümunələr bir elektron, bir proton və ya digər yüklü hissəciklərdir.
Hətta cərəyan aparan bir telin yaratdığı maqnit sahəsi də tam döngələr meydana gətirməlidir. Yuxarıda sizə bir cərəyan aparan telin bir telin oxu boyunca bir maqnit sahəsi meydana gətirdiyi bildirildi. Sağ əl qaydası , telin döngəsindəkisahənin istiqamətini verir . Maqnit sahəsi döngənin xaricində digər tərəfə çevrilir. Sağdakı şəkildə göstərildiyi kimi, cərəyan aparan telin bir döngəsindəki bu maqnit sahəsi daimi bir çubuq maqnitindən olan sahəyə bənzəyir.

Pusula istifadə edən hər kəs, maqnitin maqnit sahəsində bir qüvvə yaşadığını bilir. Elektrik yüklərində olduğu kimi, əks maqnit dirəkləri itələyir və bənzər qütblər cəlb edir. Beləliklə, şimaldan cənuba işarə edən maqnit sahəsi bir maqnitin Şimal Qütbündəki qüvvənin istiqamətini göstərir. Bunun maraqlı nəticələrindən biri də Yerin coğrafi şimal qütbünün maqnit cənub qütbü olmasıdır. Bir pusula iynəsinin maqnit şimal qütbü Yerin coğrafi şimal qütbünə işarə edəcək. Bir maqnitin şimal qütbü başqa bir maqnitin cənub qütbünə çəkildiyindən, bu, Yerin coğrafi şimal qütbünün həqiqətən cənub maqnit qütbü olması deməkdir.

  1. Yük bir maqnit sahəsi boyunca hərəkət etməlidir
  2. Yükün sürəti maqnit sahəsinin istiqamətinə paralel (və ya paralel) ola bilməz

F B= qvBgünah q

Gücün istiqaməti həm sürətə, həm də maqnit sahəsinə dikdir. Güc, çarpaz məhsul baxımından daha dəqiq ifadə olunur:

FB= qv x B

Çarpaz məhsulun böyüklüyü, əvvəlki ifadəni verərək q qdan asılıdır. Gücün həm sürətə, həm də maqnit sahəsinə dik olduğunu xatırlamaq şərtilə məqsədlərimiz üçün ilk ifadə kifayətdir.

Cərəyan aparan tel də maqnit sahəsində bir qüvvə yaşayır, çünki cərəyan hərəkət edən yüklərdən başqa bir şey deyil. Tək yüklərə gəldikdə, cərəyan sahənin istiqamətindən fərqli bir istiqamətdə hərəkət etməlidir. Cərəyan aparan teldəki maqnit qüvvəsinin böyüklüyü

F B= iLBgünah q

burada icərəyandır və L, Bqüvvəsinin vahid maqnit sahəsindəki telin uzunluğudur .

1 Daha doğrusu, Bsimvolu maqnit sahəsini deyil, maqnit induksiyası adlanan maqnit axını sıxlığını təmsil edir. Əsl maqnit sahəsi H iləişarə olunur . HByalnız materialdan asılı sabit ilə fərqlənir. Əksər məqsədlər üçün fərq əhəmiyyətsizdir, buna görə B-ni maqnit sahəsi olaraq adlandıracağıq. Maqnetizm üzrə əlavə kurslar alsanız, fərqi öyrənəcəksiniz.

İndüksiyonlu cərəyanlar, induksiyalı EMF və Faraday qanunu

Dəyişən bir maqnit sahəsinə bir tel bobini yerləşdirilsə, teldə cərəyan yaranar. Bu cərəyan, bir şeyin telin ətrafındakı yükləri məcbur edən bir elektrik sahəsi meydana gətirməsi səbəbindən axır. (Yüklər əvvəlcə hərəkət etmədiyi üçün maqnit qüvvəsi ola bilməz). Bu "bir şey" bir qüvvəolmasa da, elektromotor qüvvəvə ya emfadlanır . Bunun əvəzinə, emf bir batareyanın verdiyi gərginliyə bənzəyir. Məftil bir coil vasitəsilə dəyişən maqnit sahəsində buna görə də lazımdır vadarnövbəsində axını cari səbəb coil bir EMF.

İnduksiya edilmiş emfləri təsvir edən qanun İngilis alimi Michael Faraday -ın adını daşıyır, amma Faraday Qanunu həqiqətən Henry Qanunu olaraq adlandırılmalıdır. Albany bölgəsindən olan Amerikalı Cozef Henri, dəyişən maqnit sahələrinin Faradaydan əvvəl cərəyana səbəb olduğunu kəşf etdi. Təəssüf ki, Avropa ilə Amerika arasında ani elektron ünsiyyətdən əvvəlki dövrdə yaşadı. Henry tapıntılarını bildirməzdən əvvəl Faraday nəşr olundu və məşhurlaşdı. Maraqlıdır ki, Henri bir neçə il sonra görüşdükdə nəticələri Faradeyə izah etməli idi.

Qısacası, Faraday qanunu dəyişən bir maqnit sahəsinin elektrik sahəsi meydana gətirdiyini söyləyir. Yüklər sərbəst hərəkət edə bilərsə, elektrik sahəsi bir emf və cərəyana səbəb olacaq. Məsələn, bir maqnit sahəsinə bir döngə qoyulursa, sahə döngədən keçir, maqnit sahəsindəki bir dəyişiklik tel döngəsində bir cərəyan əmələ gətirəcəkdir. Döngənin sahəsi dəyişərsə və ya maqnit sahəsini əhatə edən sahə dəyişərsə cərəyan da əmələ gəlir. Beləliklə , olaraq təyin olunan maqnit axınındakıdəyişiklikdir

induksiya olunan cərəyanı təyin edir. Asahə vektorudur; böyüklüyü döngənin sahəsidir və istiqaməti döngənin sahəsinə dikdir və q Ailə maqnit sahəsi Barasındakı bucaqdır . Son bərabərlik (inteqralın çıxarılması) yalnız sahənin bütün döngədə vahid olduğu halda etibarlıdır.

Faraday Qanunu, dövrədə əmələ gələn (və buna görə də indiki cərəyanın) maqnit axınının dəyişmə sürəti ilə mütənasib olduğunu söyləyir:

e, yükün döngə ətrafında hərəkət edən, yükə bölünən işi olan emfdir. Konsepsiyada gərginliyə bənzəyir, heç bir yük ayrılmasına ehtiyac yoxdur. Magnetic flux F B maqnit sahəsində bərabərdir Bdəfə sahə A(a) maqnit sahəsində loop təyyarə dik və (b) maqnit sahəsində loop ərzində vahid əgər vasitəsilə maqnit sahəsində loop . Məqsədlərimiz üçün bu iki şərtin yerinə yetirildiyini güman edəcəyik; praktik tətbiqlərdə maqnit sahəsi bir döngə ilə dəyişəcək və sahə həmişə döngəyə dik olmayacaq.

Faraday Qanununun maqnit saxlamaya tətbiqinin hamısı sabit bir sahə telindən ibarət olduğundan, (c) sahənin zamanla dəyişmədiyini də düşünəcəyik. Daha sonra bobində induksiya olunan cərəyan üçün daha sadə bir ifadəyə sahibik:

İndüktif cərəyan həm bobin sahəsinə, həm də maqnit sahəsindəki dəyişikliyə bağlıdır. Bir tel bobində, hər bir döngə tənliyin sağ tərəfinə Asahəsi qatır, buna görə induksiyalı emf bir bobindəki döngələrin sayı ilə mütənasib olacaq. Ancaq döngələrin sayını iki dəfə artırmaq, istifadə olunan telin uzunluğunu iki dəfə artırır və müqaviməti iki qat artırır, buna görə də döngələr əlavə edildikdə induksiyalı cərəyan artmayacaq.

İndüksiyon və Maqnit Qeyd

Maqnit məlumatları yazmaq üçün, cərəyan bobindən istədiyiniz siqnala nisbətlə göndərilir. Bu cərəyan, cərəyana mütənasib bir maqnit sahəsi yaradır. Maqnit sahəsi, ferromaqnit materialdakı spinləri düzəldir. Material bobindən uzaqlaşdıqca maqnit sahəsi azalır və fırlanmalar başqa bir maqnit sahəsinə daxil olana qədər (silindikdə) hizalanır.

Elektrik saxlamadan fərqli olaraq maqnit saxlama həm analoq, həm də rəqəmsal ola bilər. Spin hizalanma miqdarı maqnit sahəsinin gücündən asılıdır, buna görə də analoq məlumatlar davamlı dəyişən bir maqnit sahəsi yaradan davamlı dəyişən bir cərəyanla qeyd edilə bilər. Rəqəmsal məlumatlar cərəyanın istiqamətini dəyişməklə qeyd edilə bilər. Məlumat itkisini və ya səhvləri minimuma endirmək üçün ikili məlumatlar yalnız bir alandakı böyüdülmə istiqaməti ilə müəyyən edilmir. Bunun əvəzinə dəyişikliklətəmsil olunuriki sahə arasında maqnit yönümlüdür. Bir bit maqnit sahəsi əvvəlkisi ilə eyni istiqamətdədirsə, bu 0 -ı (dəyişməz) təmsil edir. Maqnit sahəsinin bir biti özündən əvvəlki kimi əks istiqamətdədirsə, bu 1 (dəyişikliyi) təmsil edir. Beləliklə, 1, iki sahə arasındakı cərəyanın istiqamətini dəyişdirərək, 0 isə istiqaməti eyni saxlamaqla yazılır. Hər bit istiqamət dəyişikliyi ilə başlayır. Məlumatların qeyd edilməsi üçün bu konvensiya səhvləri müəyyən edir, çünki heç kim eyni istiqamətdə üç sahəyə sahib ola bilməz. Bundan əlavə, oriyentasiya hər bir sahə ilə dəyişməlidir. Kompüter bir az tamamlandığını düşünür, amma istiqaməti dəyişmirsə, bəzi səhvlərin baş verdiyini bilir. Domenlərin, bitlərin və sətirlərin bəzi nümunələri aşağıda göstərilmişdir.

Maqnit məlumatlarını oxumaq üçün ferromaqnit material tel bobinin yanından keçir. Materialın hərəkətinin səbəb olduğu dəyişən maqnit sahəsi, telin bobinində sahə dəyişikliyi ilə mütənasib bir cərəyan yaradır. 0 göstərilirsə, maqnit sahəsi bitin iki sahəsi arasında dəyişmir, buna görə də maqnit materialı bobindən keçərkən heç bir cərəyan əmələ gəlmir. 1 üçün maqnit sahəsi bir istiqamətdən digərinə dəyişir; bu dəyişiklik bobində cərəyan yaradır.

Maqnit məlumatlarının induktiv oxunması bir çox məhdudiyyətlərə tabedir. Ferromaqnit materialın daha sürətli hərəkət etməsi ilə maqnit sahəsindəki dəyişiklik daha böyük olacağından, induksiya olunan cərəyan materialın sürətindən asılıdır. Beləliklə, induktiv oxuma başlıqlarının həssaslığı material sürətinin dəqiqliyi ilə məhdudlaşır. İnduktiv başlıqlardakı digər məhdudlaşdırıcı amil maqnit sahəsinin gücüdür. Saxlama sıxlığını artırmaq səyləri davam etdikcə bir məlumat elementinin ölçüsü kiçilir. İndi bir bit bölgəsində daha az elektron olduğu üçün əlaqəli maqnit sahəsi daha kiçikdir. Bu kiçik maqnit sahəsi daha az dəyişiklik və beləliklə daha az induksiya olunan cərəyan çıxarır və ölçülə bilən bir cərəyan çıxarmaq üçün daha çox döngə tələb edir. Yuxarıda qeyd edildiyi kimi, daha çox döngə daha çox istilik deməkdir, daha çox müqavimət deməkdir. Bu məhdudiyyətlər səbəbindənyeni maqnit saxlama cihazları maqnit məlumatlarını oxumaq üçün maqnit müqavimət fenomenindən istifadə edir.

Xülasə

Güc haqqında faktlar

( Sürücü qüvvədən: Maqnitlərin Təbii Sehrli,James D. Livingston, (Havard Universiteti Mətbuatı: Cambridge), 1996)

Livingston tərəfindən Sürücü Gücündəngələn qüvvəyə dair bu 10 fakt , bu və növbəti oxunuşda olan məlumatların çoxunu ümumiləşdirir. 4, 6 və 8 addımları kompüterlərin işində xüsusi maraq doğurur. 9 və 10 da yadda saxlanılması vacib olan anlayışlardır. Bu oxu tapşırığı yalnız maqnitlərin informasiya sistemlərində və digər çox istifadə olunan texnologiyalarda tətbiqinə toxunmuşdur. Daha çox öyrənmək istəyirsinizsə, Livingston kitabı başlamaq üçün əla bir yerdir.

1. Dönməkdə sərbəstdirsə, daimi maqnitlər təxminən şimal-cənuba işarə edir.
2 Qütblər itələyir, dirəklərdən fərqli olaraq cazibədar.
3. Daimi maqnitlər bəzi şeyləri (dəmir və polad kimi) cəlb edir, digərlərini (ağac və ya şüşə kimi) cəlb etmir.
4. Maqnit qüvvələr bir məsafədə hərəkət edir və maqnit olmayan baryerlər vasitəsilə hərəkət edə bilərlər (çox qalın deyilsə).
5. Daimi bir maqnitə cəlb olunan şeylər özləri müvəqqəti maqnit olur.
6. İçindən keçən elektrik cərəyanı olan bir tel bobini maqnit halına gəlir.
7. Dəmir cərəyan aparan bir bobinin içinə qoymaq elektromaqnitin gücünü xeyli artırır.
8. Dəyişən maqnit sahələri mis və digər keçiricilərdə elektrik cərəyanlarına səbəb olur.
9. Yüklü bir hissəcik bir maqnit sahəsinə paralel hərəkət edərkən heç bir maqnit qüvvəsi yaşamır, ancaq sahəyə dik hərəkət edərkən həm sahəyə, həm də hərəkət istiqamətinə dik bir qüvvə yaşayır.
10. Dik bir maqnit sahəsində cərəyan aparan tel, həm telə, həm də sahəyə dik istiqamətdə bir qüvvə yaşayır.

Təklif olunan Əlavə Oxu

Driving Force: The Natural Magic of Magnets, by James D. Livingston, (Havard University Press: Cambridge), 1996. Maqnitvə gündəlik fəaliyyətlərimizdə tətbiqləri haqqında son dərəcə yaxşı bir kitab. Həm də ucuzdur (Amazon, VarsityBooks, BigWords və ya barnesandnoble.com -dan təxminən 12 dollar+göndərmə).

Hesablama: Məlumat Texnologiyası,Tony Dodd. (Oxford University Press: New York), 1995. Səhifələr 70-71 DRAM-dakı kondansatörlərin qısa təsvirini ehtiva edir.

Kompüterlər necə işləyir, Ron Uayt.

Larry Gonick və Art Huffman tərəfindən Fizikaya Cizgi Bələdçisi. (Harper Perennial: New York), 1991. Bu, maqnetizm və induksiya daxil olmaqla, fizikada əsas anlayışların istifadəçi dostu bir müalicəsidir.

Halliday, Resnick və Walker tərəfindən Fizikanın əsaslarıkimi hər hansı bir giriş fizikası mətni .

Müəlliflik hüququ © 2001-2002 Doris Jeanne Wagner. Bütün hüquqlar qorunur.