Fluxo e relação de fluxo magnético

Sabe-se por experiência que perto de ímãs permanentes, bem como perto de condutores de corrente, podem ser observados efeitos físicos, como impacto mecânico em outros ímãs ou condutores de corrente, bem como o aparecimento de EMF em condutores que se movem em determinado espaço.

O estado incomum do espaço perto de ímãs e condutores portadores de corrente é chamado de campo magnético, cujas características quantitativas são facilmente determinadas por esses fenômenos: pela força da ação mecânica ou pela indução eletromagnética, de fato, pela magnitude induzida em um condutor em movimento CEM.

O fenômeno de condução de EMF no condutor (fenômeno da indução eletromagnética) ocorre em condições diferentes. Você pode mover um fio através de um campo magnético uniforme ou simplesmente alterar o campo magnético perto de um fio estacionário. Em ambos os casos, a mudança no campo magnético no espaço induzirá uma EMF no condutor.

Um dispositivo experimental simples para investigar esse fenômeno é mostrado na figura. Aqui o anel condutor (cobre) é conectado com seus próprios fios com um galvanômetro balístico, pelo desvio da flecha, para o qual será possível estimar a quantidade de carga elétrica que passa por este circuito simples. Primeiro, centralize o anel em algum ponto do espaço próximo ao ímã (posição a) e, em seguida, mova o anel bruscamente (para a posição b). O galvanômetro mostrará o valor da carga que passou pelo circuito, Q.

Agora colocamos o anel em outro ponto, um pouco mais longe do ímã (para a posição c), e novamente, com a mesma velocidade, o movemos bruscamente para o lado (para a posição d). A deflexão da agulha do galvanômetro será menor do que na primeira tentativa. E se aumentarmos a resistência do loop R, por exemplo, substituindo o cobre por tungstênio, então movendo o anel da mesma forma, perceberemos que o galvanômetro mostrará uma carga ainda menor, mas o valor dessa carga passando pelo galvanômetro em qualquer caso será inversamente proporcional à resistência do circuito.

O experimento demonstra claramente que o espaço ao redor do ímã em qualquer ponto possui alguma propriedade, algo que afeta diretamente a quantidade de carga que passa pelo galvanômetro quando afastamos o anel do ímã. Vamos chamá-lo de algo próximo a um ímã, fluxo magnético, e denotamos seu valor quantitativo com a letra F. Observe a dependência revelada de Ф ~ Q * R e Q ~ Ф / R.

Vamos complicar o experimento. Fixaremos o loop de cobre em um determinado ponto oposto ao ímã, próximo a ele (na posição d), mas agora mudaremos a área do loop (sobrepondo parte dele com um fio). As leituras do galvanômetro serão proporcionais à mudança na área do anel (na posição e).

Portanto, o fluxo magnético F do nosso ímã atuando no loop é proporcional à área do loop. Mas a indução magnética B, relacionada à posição do anel em relação ao ímã, mas independente dos parâmetros do anel, determina a propriedade do campo magnético em qualquer ponto considerado no espaço próximo ao ímã.

Continuando os experimentos com um anel de cobre, vamos agora mudar a posição do plano do anel em relação ao ímã no momento inicial (posição g) e depois girá-lo para uma posição ao longo do eixo do ímã (posição h).

Observe que quanto maior a mudança no ângulo entre o anel e o ímã, mais carga Q flui através do circuito através do galvanômetro. Isso significa que o fluxo magnético através do anel é proporcional ao cosseno do ângulo entre o ímã e a normal ao plano do anel.

Assim, podemos concluir que indução magnética B — existe uma quantidade vetorial, cuja direção em um determinado ponto coincide com a direção da normal ao plano do anel naquela posição quando, quando o anel é fortemente afastado do ímã, a carga Q passando ao longo do circuito é máximo.

Em vez de um ímã no experimento, você pode usar bobina de um eletroímã, mova esta bobina ou altere a corrente nela, aumentando ou diminuindo o campo magnético que penetra no loop experimental.

A área penetrada pelo campo magnético não pode ser necessariamente limitada por uma curvatura circular, pode, em princípio, ser qualquer superfície, cujo fluxo magnético é então determinado por integração:

Acontece que fluxo magnético F Se o fluxo do vetor de indução magnética B através da superfície S.E a indução magnética B é a densidade de fluxo magnético F em um determinado ponto do campo. O fluxo magnético Ф é medido em unidades de «Weber» — Wb. A indução magnética B é medida em unidades de Tesla — Tesla.

Se todo o espaço em torno de um ímã permanente ou de uma bobina condutora de corrente for examinado de maneira semelhante, por meio de uma bobina de galvanômetro, é possível construir neste espaço um número infinito das chamadas "linhas magnéticas" - linhas vetoriais indução magnética B — a direção das tangentes em cada ponto corresponderá à direção do vetor de indução magnética B nesses pontos do espaço estudado.

Ao dividir o espaço do campo magnético por tubos imaginários com uma seção transversal unitária S = 1, o chamado pode ser obtido. Tubos magnéticos simples cujos eixos são chamados de linhas magnéticas simples. Usando essa abordagem, você pode representar visualmente uma imagem quantitativa do campo magnético e, nesse caso, o fluxo magnético será igual ao número de linhas que passam pela superfície selecionada.

As linhas magnéticas são contínuas, elas saem do Pólo Norte e necessariamente entram no Pólo Sul, então o fluxo magnético total através de qualquer superfície fechada é zero. Matematicamente fica assim:

Considere um campo magnético limitado pela superfície de uma bobina cilíndrica. Na verdade, é um fluxo magnético que penetra na superfície formada pelas voltas dessa bobina. Neste caso, a superfície total pode ser dividida em superfícies separadas para cada uma das voltas da bobina. A figura mostra que as superfícies das voltas superior e inferior da bobina são perfuradas por quatro linhas magnéticas simples, e as superfícies das voltas no meio da bobina são perfuradas por oito.

Para encontrar o valor do fluxo magnético total através de todas as voltas da bobina, é necessário somar os fluxos magnéticos que penetram nas superfícies de cada uma de suas voltas, ou seja, os fluxos magnéticos associados às voltas individuais da bobina:

Ф = Ф1 + Ф2 + Ф3 + Ф4 + Ф5 + Ф6 + Ф7 + Ф8 se houver 8 espiras na bobina.

Para o exemplo de enrolamento simétrico mostrado na figura anterior:

F curvas superiores = 4 + 4 + 6 + 8 = 22;

F voltas inferiores = 4 + 4 + 6 + 8 = 22.

Ô total = Ô voltas superiores + Ô voltas inferiores = 44.

É aqui que o conceito de "conexão de fluxo" é introduzido. conexão de transmissão O fluxo magnético total associado a todas as voltas da bobina, numericamente igual à soma dos fluxos magnéticos associados às suas voltas individuais:

Фm é o fluxo magnético criado pela corrente através de uma revolução da bobina; wэ — número efetivo de voltas na bobina;

A ligação de fluxo é um valor virtual porque na realidade não há soma de fluxos magnéticos individuais, mas há um fluxo magnético total. No entanto, quando a distribuição real do fluxo magnético sobre as voltas da bobina é desconhecida, mas a relação de fluxo é conhecida, a bobina pode ser substituída por uma equivalente calculando o número de voltas equivalentes idênticas necessárias para obter a quantidade necessária de fluxo magnético.