Hur man beräknar magnetfältstyrkan?

- Jun 27, 2019-

Magneter finns vanligtvis i motorer, dynamor, kylskåp, kredit- och betalkort och elektronisk utrustning, som elgitarrupphängare, stereohögtalare och dators hårddiskar. De kan vara antingen permanenta magneter, gjorda av naturligt magnetiska former av järn eller legeringar eller elektromagneter. Elektromagneter skapar ett magnetfält när en elektrisk ström drivs genom en trådspole omslagen runt en järnkärna. Det finns flera faktorer som påverkar styrkan hos magnetfält och flera sätt att bestämma styrkan hos dessa fält, båda beskrivs i artikeln nedan.


1

Tänk på en magnetens egenskaper. Magnetiska egenskaper beskrivs med hjälp av dessa egenskaper:
  • Tvingande magnetfältstyrka, förkortad Hc. Detta representerar den punkt där magneten kan demagnetiseras (degaussed) av ett annat magnetfält. Ju högre detta nummer desto svårare är det att degaussa magneten.

  • Återstående magnetisk flödestäthet, förkortad Br. Detta är det maximala magnetiska flödet som magneten kan producera.

  • När det gäller magnetisk flödestäthet är den totala energitätheten, förkortad Bmax. Ju högre detta nummer är desto kraftfullare är magneten.

  • Temperaturkoefficienten för den återstående magnetiska flödestätheten, förkortad Tcoef of Br och uttryckt i procent av grader Celsius, beskriver hur magnetflödet minskar när magnetens temperatur ökar. En Tcoef of Br med 0,1 betyder att om magnetens temperatur stiger 100 grader Celsius, sänker dess magnetiska flöde med 10 procent.

  • Den maximala driftstemperaturen (förkortad Tmax) är den högsta temperaturen som magneten kan användas på utan att förlora någon av dess fältstyrka. När temperaturen faller under Tmax återställer magneten sin fulla fältstyrka. Om magneten värms över Tmax kommer den att förlora en del av dess fältstyrka permanent efter kylning till normal driftstemperatur. Om emellertid magneten upphettas till sin Curie-temperatur, förkortad Tcurie, blir den demagnetiserad


2

Observera det material en permanentmagnet är tillverkad av. Permanenta magneter tillverkas vanligtvis av ett av följande material:
  • Neodym järnbor. Detta har den högsta magnetiska flödestätheten (12.800 gauss), tvingande magnetfältstyrka (12,300 oersted) och total energitäthet (40). Den har den lägsta maximala driftstemperaturen och Curie temperaturen, vid 150 grader Celsius respektive 310 grader Celsius (590 grader Fahrenheit) respektive en temperaturkoefficient på -0,12.

  • Samarium kobolt har nästa högsta tvingande fältstyrka vid 9.200 oersted. Men den har en magnetisk flödestäthet på 10 500 gauss och en total energitäthet på 26. Den maximala driftstemperaturen är mycket högre än för neodymiumjärnborr vid 300 grader Celsius, liksom Curies temperatur på 750 grader Celsius ( 1.382 grader Fahrenheit). Dess temperaturkoefficient är 0,04.

  • Alnico är en aluminium-nickel-koboltlegering. Den har en magnetisk flödestäthet nära neodym-järnboret (12.500 gauss), men en mycket lägre tvingande magnetfältstyrka (640 oersted) och följaktligen en total energitäthet på endast 5,5. Den har en högre maximal driftstemperatur än samarium kobolt, vid 540 grader Celsius, samt en högre Curie temperatur, 860 grader Celsius (1,580 grader Fahrenheit) och en temperaturkoefficient på 0,02.

  • Keramiska och ferritmagneter har mycket lägre flödesdensiteter och totala energitätheter än de andra materialen, vid 3 900 gauss och 3,5. Deras magnetiska flödestäthet är dock mycket bättre än alnico vid 3 200 oersted. Deras maximala driftstemperatur är densamma som för samariumkobolt, men deras Curie-temperatur är mycket lägre, vid 460 grader Celsius (860 grader Fahrenheit) och deras temperaturkoefficient är -0,2. Därför förlorar de fältstyrkan snabbare i värme än vad som helst av de andra materialen.


3

Räkna antalet varv i en elektromagnets spole. Ju mer spole vrider per längd av kärnan desto större är magnetfältstyrkan. Kommersiella elektromagneter har betydande kärnor av ett av de magnetiska material som beskrivits ovan och stora spolar runt dem. En enkel elektromagnet kan emellertid göras genom att omsluta en trådspole runt en spik och fästa ändarna på ett 1,5 volts batteri.


4

Kontrollera strömmen som strömmar genom den elektromagnetiska spolen. Använd en multimeter för att göra detta. Ju starkare strömmen desto starkare magnetfältet genereras.
  • Ampere-sväng per meter är en annan mätenhet för mätning av magnetfältstyrkan. Detta representerar hur om strömmen, antalet spolar eller båda ökar, ökar magnetfältstyrkan.




Testning av magnetfältområde med Paperclips


1

Gör en hållare för en barmagnet. Du kan göra en enkel magnethållare med en klädnyp och ett papper eller Styrofoam-kopp. Denna metod skulle vara lämplig för att undervisa grundskolestudenter om magnetfält.
  • Tape en av de långa ändarna av en tygspets till botten av koppen.

  • Placera koppen med den bifogade klädnypen på bordet upp och ner.

  • Sätt in magneten i klädnypen.


2

Böj en papperslip i en krok. Det enklaste sättet att göra detta är att dra ut den yttre änden av pappersklippet. Du måste kunna hänga fler pappersklipp från kroken.


3

Lägg till ytterligare pappersband för att mäta magnetens styrka. Tryck på den böjda pappersklippan mot magneten vid en av dess poler. Krokdelen ska hänga sig fri. Häng pappersklipp från kroken. Fortsätt att göra detta tills vikten på klippen får kroken att falla.


4

Notera antalet pappersklipp som orsakade kroken att falla av. När du har lagt till ett tillräckligt antal pappersklipp och kroken faller av magneten skriver du noggrant ned det exakta antalet pappersklipp som orsakade detta.


5

Lägg maskeringsbandet på magnetpolen. Sätt 3 små remsor av maskeringstejp över magnetens pol och häng kroken från den igen.


6

Lägg i pappersband i kroken tills det faller av magneten. Upprepa den tidigare metoden för att hänga pappersklipp från den ursprungliga pappersklippskroken tills den slutligen faller av magneten.


7

Skriv ner hur många klipp det tog för att få kroken att falla den här gången. Se till att du noterar både antalet tejpremsor och antalet pappersklipp som används.


8

Upprepa de föregående stegen flera gånger med fler remsor av maskeringsband. Notera alltid hur många pappersklipp det tog för att få kroken att falla av magneten. Du bör märka att när du lagt till remsor tog det färre och färre klipp för att kroken skulle falla av.



Testning av magnetfältstyrkan med en Gaussmeter


1

Beräkna baslinjen eller originalspänningen. Detta kan göras med en gaussmeter, även känd som en magnetometer eller en EMF-detektor (elektromagnetisk fältdetektor), som är en handhållen enhet som mäter styrkan och riktningen för en magnetfältstyrka. De är lättillgängliga att köpa och enkla att använda. Gaussmeter-metoden är lämplig för att undervisa mellanskolan och gymnasieelever om magnetfält. Så här börjar du använda en:
  • Ställ in den maximala spänningen som ska läsas vid 10 volt DC.

  • Läs spänningsdisplayen med mätaren från en magnet. Detta är baslinjen eller originalspänningen, representerad som V0.


2

Rör mätarens sensor till en av magnetens poler. På vissa gaussmetrar är den här sensorn, som kallas en Hall-sensor, inbyggd i ett integrerat kretschip, så att du faktiskt rör magnetens pol till en sensor.


3

Spela in den nya spänningen. Representerad av V1 kommer spänningen antingen att gå upp eller ner, beroende på vilken pol av magneten som berör Hall-sensorn. Om spänningen går upp, rör sensorn magnetens sötsökande pol. Om spänningen går ner, rör sensorn magnetens nord-sökande pol.

Hitta skillnaden mellan original och ny spänning. Om sensorn är kalibrerad i millivolts dela med 1 000 för att omvandla från millivolts till volt.

5

Dela resultatet med sensorns känslighetsvärde. Om sensorn exempelvis har en känslighet av 5 millivolts per gauss, skulle du dela med 5. Om den har en känslighet av 10 millivolts per gauss skulle du dela med 10. Värdet du får är magnetstyrkan i gauss.


6

Upprepa för att testa fältstyrkan vid olika avstånd från magneten. Placera sensorn i en serie av avstånd från magnetens pol och registrera resultaten.