Магнитен поток — определение, физика, единици (Wb) и приложения

Научете всичко за магнитния поток: дефиниция, физична същност, единици (Wb/Maxwell) и практични приложения в електромагнети, динамо и ускорители на частици.

Магнитният поток описва количеството магнитно поле, което преминава през определена повърхност (например през площта, оградена от проводникова примка). Той не е поток от "фотони" в класическия смисъл, а математическа характеристика на векторното магнитно поле B, присъстващо в пространството. Магнитните полета се създават от електрически токове и от магнитни моменти (например от спиновете и орбиталното движение на електроните в материалите), но самият магнитен поток е интегрална величина, която измерва колко от полето преминава през дадена повърхност.

Определение и основни свойства

Математически магнитният поток Φ през повърхност S се дефинира като повърхностен интеграл на векторното поле B:

Φ = ∫_S B · dA,

където dA е елементът от площ и знакът · означава векторен (скаларен) произведение. Ако полето е перпендикулярно на равнината на повърхността и еднородно, оценката се свежда до простото произведение Φ = B·A·cos(θ), където θ е ъгълът между вектора B и нормалата на повърхността.

Едно важно свойство, произтичащо от законите на електромагнетизма (закон на Гаус за магнитното поле), гласи, че магнитният поток през всяка затворена повърхност (например през повърхността на топка) винаги е нула. Това отразява факта, че "магнитни монополи" не са наблюдавани — магнитни силови линии са затворени криви.

Единици и числени връзки

Единицата за магнитен поток по SI е Вебер (Wb). Един вебер се равнява на един тесла-метър^2 (T·m^2) и е еквивалентен на волт-секунда (V·s):

• 1 Wb = 1 T·m² = 1 V·s

В CGS системата единицата за магнитен поток е Maxwell. Преобразуването между системите е 1 Wb = 10^8 maxwell.

Електромагнитни явления и приложения

Промяната на магнитния поток през намотка индуцира електродвижеща сила (емф) според закона на Фарадей:

ε = −dΦ/dt.

Това е основният принцип зад работата на трансформатори, индуктивности, генератори (в това число и динамо) и други електромагнитни устройства. В практиката инженерите често използват понятието свързан магнитен поток или магнитен поток на свързаност (flux linkage) — за намотка с N навивки: Λ = NΦ.

Електромагнитите, електрическите машини, трансформаторите и индукционните намотки оперират с контрол и пренос на магнитен поток в магнитни вериги, където понятия като релуктанс (съпротивление на магнитната верига) играят роля, аналогична на електрическото съпротивление.

Физиците, които проектират ускорители на частици, също изчисляват магнитния поток и полето, тъй като магнитите насочват и фокусират пучкове от заредени частици.

Измерване и специални явления

Магнитният поток и магнитните полета се измерват с различни прибори: Hall-проби, флуксметри, поискови бобини и с висока чувствителност — SQUID (свръхпроводящи квантови интерферометри). При свръхпроводящи верижни структури се наблюдава квантование на магнитния поток: минималната единица flux quantum е Φ0 = h/2e ≈ 2.07×10^−15 Wb.

Кратко обобщение

• Магнитният поток е интегрална мярка за магнитното поле, което преминава през дадена повърхност (Φ = ∫ B·dA).
• По SI единица: Вебер (Wb) — еквивалентен на T·m^2 и V·s.
• Промяната на магнитния поток индуцира емф (закон на Фарадей): ε = −dΦ/dt.
• Потокът през затворена повърхност е нулев (няма магнитни монополи).
• Приложения: електромагнити, трансформатори, генератори, индукционни устройства, ускорители на частици и прецизни измервателни уреди.

Въпроси и отговори

Въпрос: Какво създава полето около един магнитен материал?

В: От какво се състои магнитният поток?

В: Защо линиите на магнитното поле не се виждат с просто око?

В: Какво осигурява магнетизма на даден материал?

В: Каква е единицата за магнитен поток в системата SI?

В: Каква е единицата за магнитен поток на CGS?

В: Кой използва магнитния поток в работата си?

Търсене по буква