Magnetinis srautas: kas tai, formulė, vienetai (Wb) ir taikymai

Sužinokite, kas yra magnetinis srautas, jo formulę, SI vienetą (Wb) ir praktinius taikymus elektrotechnikoje bei fizikoje — aiškiai, trumpai ir suprantamai.

Magnetinis srautas yra skaliarinė fizikinė dydis, nusakanti, kiek magnetinio lauko vektorių linijų praeina per tam tikrą paviršių. Kitaip tariant, jis matuoja magnetinio lauko stiprumo „kiekį“, orientuotą per duotą plotą. Magnetinis laukas atsiranda dėl judančių krūvių (elektronų judėjimo laiduose, srovėse) ir išorinių magnetinių momentų (pvz., elektronų sukinio ir orbitalinio momento atomuose). Magnetinio lauko linijos – tik vizualinė lauko reprezentacija; jos nėra sudarytos iš fotonų plika akimi matomoje prasme.

Formulė ir matematinis apibūdinimas

Magnetinį srautą žymima Φ ir jis apskaičiuojamas kaip paviršiaus integralas:

Φ = ∫_S B · dA,

kur B yra magnetinio lauko vektorius (magnetinė indukcija), o dA – paviršiaus elementas (vektorius, kurio kryptis sutampa su paviršiaus normalė). Jeigu laukas yra vienodas ir paviršius plokščias, formulė supaprastėja iki:

Φ = B A cosθ,

kur A – paviršiaus plotas, o θ – kampas tarp B ir paviršiaus normalių. Teigiamas arba neigiamas srautas priklauso nuo pasirinktos normalės krypties.

Pagrindinės savybės

• Magnetinio srauto per uždarą paviršių suma yra lygi nuliui (Gauss’o dėsnis magnetizmui): ∮_S B · dA = 0. Tai reiškia, kad nėra atskirų „magnetinių krūvių“ (magnetinių monopolių) klasikinėje elektromagnetizmo teorijoje.
• Magnetinis srautas nėra tas pats, kas magnetinė indukcija B: B yra vektorius, o Φ – skaliarinė integracija per plotą.
• Laikui bėgant kintantis magnetinis srautas sukelia elektrinę įtampą pagal Faradėjaus indukcijos dėsnį: emf = − dΦ/dt (arba plačiau emf = −N dΦ/dt, jei yra N vingių ritė), kas yra pagrindas generatoriams ir transformatoriams.

Vienetai ir matavimo ryšiai

SI vienetas yra Weberis (Wb). Weberis išvestiniais vienetais taip pat yra voltas-sekundės (V·s) arba tesla·kvadratiniai metrai (T·m²). CGS sistemoje magnetinio srauto vienetas yra "Maxwell" — 1 Wb = 10⁸ Maxwell.

Dimensija: [Φ] = M·L²·T⁻²·I⁻¹ (atitinka V·s).

Pavyzdys

Jeigu turime plokščią ritę su paviršiaus plotu A = 0,01 m², pro kurią vienodai praeina magnetinis laukas B = 0,5 T, ir laukas yra statmenas paviršiui (θ = 0), tai magnetinis srautas bus:

Φ = B·A = 0,5 T · 0,01 m² = 0,005 Wb.

Jei šis srautas sumažėja iki nulio per 0,1 s, indukuota įtampa vieno vyniojimo ritėje būtų emf = −ΔΦ/Δt = −0,005/0,1 = −0,05 V.

Matavimas ir įranga

Magnetinį srautą dažnai matuojama netiesiogiai: naudojami paieškos ritės (fluxmeter/įtampos integravimo grandinės), kurios integruoja indukuotą įtampą, kad apskaičiuotų lauko srautą; taip pat taikomi Hall tipo jutikliai ar magnetometrai, kurie matuoja magnetinę indukciją B ir pagal paviršių apskaičiuoja Φ.

Taikymai praktikoje

Magnetinis srautas yra svarbus daugelyje technologijų ir fizikos sričių:

• elektros mašinos ir transformatoriai — projektuojant branduolį ir vyniojimus optimizuojamas magnetinis srautas, kad būtų efektyvi energijos perdavimo bei sumažinti nuostoliai;
• induktoriai ir sensoriai — indukuota įtampa priklauso nuo srauto kitimo greičio;
• Elektromagnetų sistemų projektavimas — magnetinis srautas per oro tarpus ir feromagnetinius kelius lemia jėgų ir srovės charakteristikas;
• elektromechaniniai įrenginiai, tokie kaip dinaminiai (pvz., garsiniai keitikliai), kur magnetinis srautas sąveikauja su srovėmis, generuojančiomis mechaninį judesį;
• fizikos tyrimai ir didelės aparatūros projektavimas — dalelių greitintuvų magnetiniai laukų dizainai remiasi tiksliu srauto skaičiavimu;
• medicininė įranga (MRI), magnetinis žymėjimas ir magnetinių grandinių simuliacijos.

Pastabos ir paprasti paaiškinimai

Feromagnetinių medžiagų magnetizmas kyla dėl elektronų sukinio ir orbitalinio momento bei jų sąveikos (keistas keitimosi sąveika), dėl ko atskirų atomų magnetiniai momentai gali sutelktai orientuotis. Elektromagnetai sukuria lauką dėl praeinančios srovės. Magnetinio lauko linijos yra naudingas įrankis laukui vaizduoti, tačiau fiziškai magnetinis laukas nėra „sudarytas“ iš fotonų tokiu būdu, kaip apšvietimas — klasikinėje teorijoje laukas apibūdinamas matomaisiais vektoriais; kvantinė elektrodinamikos kalba lauko kvantas yra fotonas, bet tai kitaip interpretuojama nei paprastas „fotonų srautas“.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas sukuria lauką aplink magnetinę medžiagą?

K: Iš ko susideda magnetinis srautas?

K: Kodėl magnetinio lauko linijos plika akimi nematomos?

K: Kas suteikia medžiagai magnetizmo?

K: Koks yra magnetinio srauto SI vienetas?

K: Koks yra CGS magnetinio srauto vienetas?

K: Kas savo darbe naudoja magnetinį srautą?

Paieška pagal raidę