Magnetvoog — definitsioon, mõõtmine ja ühikud (Weber, Maxwell)

Magnetvoog: selge definitsioon, mõõtmismeetodid ja ühikud (Weber, Maxwell). Õpi magnetväljade arvutust, mõõtmist ja rakendusi inseneridele ja füüsikutele.

Magnetvoog (tähis Φ) kirjeldab, kui palju magnetilist induktsiooni (magnetvälja) läbib antud pinda. Lihtsamas keeles: see on "magnetvälja joonte" arv, mis läbib antud pinda. Magnetvoogu ei näe palja silmaga, sest magnetväli ei kiirga nähtavat valgust.

Mis tekitab magnetvälja ja magnetvoogu?

Magnetväljad tekivad liikuva laengu ja aatomite magnetmomendi tõttu. Paljudel ainetel tuleneb magnetism peamiselt elektronide magnetilistest momenditest — nii spinnist kui ka elektronide orbitaalliikumisest aatomis. Ferromagnetitel (näiteks raud, nikkel) joonduvad paljude aatomite magnetmomendid samas suunas ja tekivad domeenid, mis annavad nähtava püsiva magnetismi.

Kvantmehaaniliselt saab magnetvälja kirjeldada ka vaheosakestega (kvantiseeritud välja kuju), ent igapäevastes ja inseneri rakendustes kasutatakse magnetvälja ja magnetvoo kirjeldamiseks klassikalist vektorvälja B (magnetiline induktsioon).

Matemaatiline määratlus

Magnetvoog läbi pinna S defineeritakse integraalina:

Φ = ∫_S B · dA

kus B on magnetinduktsiooni vektor (teslas, T) ja dA on pindalade element koos suunavektoriga. Kui B on pinna kohal ühtlane ja paras koht suvaline, siis lihtsustatult:

Φ = B · A · cosθ

kus A on pinna pindala ja θ on nurk B vektori ning pinna normaalvektori vahel.

Gaussi seadus magnetismile: magnetvoog suletud pinnast on alati null — ∮_S B · dA = 0 — mis väljendab seda, et ei ole avastatud magnetilisi monopole (üksikuid magnetpooluseid).

Ühikud ja teisendused

• SI-ühik on Weber (Wb). Weber on võrdne tesla‑ruutmeetriga: 1 Wb = 1 T·m²; samas on weber ka volt‑sekund (1 Wb = 1 V·s) — seda seost kasutatakse eriti induktsiooni ja Faraday seaduse kontekstis.
• CGS‑süsteemis kasutatav ühik on Maxwell (Mx). Suhe on: 1 Mx = 10^−8 Wb.
• Magnetvoo näide: kui B = 0,01 T ja A = 0,1 m² ning vektorid on risti (θ = 0), siis Φ = 0,01·0,1 = 0,001 Wb.
• Eriline konstant (magnetvoo kvant) superjuhtivuses: Φ0 ≈ 2,07·10^−15 Wb — oluline kvantfüüsikalistes nähtustes nagu Josephsoni liidesed ja püreetrumid.

Mõõtmine ja hinnangud

Magnetvoogu mõõdetakse ja hinnatakse mitmel viisil, sõltuvalt olukorrast:

• Otsene integratsioon: kui B-kirjeldus on teada (nt mõõdetud Hall‑prooviga punktikaupa), siis arvutatakse Φ = ∫ B·dA numbriliselt.
• Otsene mõõtmine otsingu‑mähisega: suletud juhtmekehale ühendatud otsingumähises tekkiva tööpinge (indutseeritud emf) integreerimine annab muutuse magnetvoos vastavalt Faraday seadusele: emf = −dΦ/dt. Spetsiaalseid instrumente nimetatakse fluxmetreiks või integratoriteks.
• Fluxgate‑ ja Hall‑magnetomeetrid mõõdavad lokaalseid B‑väärtusi; neist saadud kaardistuse alusel arvutatakse voogud.

Rakendused ja tähtsus

Magnetvoog on oluline mitmes tehnilises ja teaduslikus valdkonnas:

• Elektrimootorid, generaatorid, transformatorid ja induktiivpoolid: disainimisel kontrollitakse magnetvoogu ja selle muutusi, et optimeerida jõudlust ja minimeerida kaod.
• Magneetilised ahelad (magnetic circuits): kasutatakse mõisteid nagu magnetomotive force (mmf), reluctance (magnetiline takistus) ja permeance — kõik põhinevad voogudel ja voolu juhtimisel ferromagnetites.
• Meditsiin (MRI), osakeste kiirendid ja magnetiline levitatsioon: magnetvoog ning väljade jaotuse täpsus mõjutavad otseselt seadmete tööd ja lahutusvõimet — seetõttu kasutavad spetsialistid (nt elektromagnetitega süsteemide projekteerijad> ja osakeste kiirendite disainerid) voogude täpset arvutust.
• Instrumentatsioon ja mõõtmistehnika: vooluringid, induktiivsus ja elektromagnetiline ülekandumine sõltuvad voogudest; seetõttu on see oluline ka dünaamikaseadmete ja muude elektrotehniliste süsteemide projekteerimisel.

Lisamärkus terminoloogia kohta

Magnetvoo ja magnetvälja mõisted on omavahel seotud, kuid erinevad: B on vektorväli (teslas) ja Φ on selle välja integreeritud "kogus" läbi pinna (weber). Mõnes vanemas kirjanduses võib esineda segadust seoses ühikutega ja süsteemidega; tänapäevases praktikas on SI‑ühikud (Wb, T) standardiks.

Kui soovite, võin lisada lihtsate jooniste või näidetega arvutusliku samm‑sammu haaval juhendi, kuidas arvutada magnetvoogu eri olukordades (nt ümmargune mähis, kahepoolne väljajaotus jm).

Küsimused ja vastused

K: Mis tekitab magnetilise materjali ümber välja?

K: Millest koosneb magnetvoog?

K: Miks ei ole magnetvälja jooned palja silmaga nähtavad?

K: Millest saab materjal oma magnetismi?

K: Mis on magnetvoo SI-ühik?

K: Mis on magnetvoo CGS-ühik?

K: Kes kasutab oma töös magnetvoogu?

Otsing