Elektrische, magnetische und elektromagnetische Felder

Dieser Artikel befasst sich zunächst mit einfachen Definitionen im Zusammenhang mit elektrischen und magnetischen Feldern und befasst sich dann mit der Kombination dieser beiden Felder, die als Elektromagnetismus und elektromagnetische Feld bezeichnet wird.

Dieser Artikel ist eine Fortsetzung des grundlegenden Elektronikartikels.

***““Elektronik-, Programmier- und Arduino-Projekte, einschließlich Quellcodes, Schaltpläne und PCB-Pläne für Ingenieure, Studenten und Bastler““***

Elektrisches Feld

Die elektrische Ladung

Alles auf der Welt hat irgendeine Art von Schwerkraft: Planeten, Objekte, Atome, Protonen, Neutronen und Elektronen.

Wenn aber alle diese Anziehungen von der gleichen Art wären und nur von Newtons Gravitationsgesetz abhängen würden, würde das gesamte Universum zu einem sehr großen Objekt werden; Daraus können wir schließen, dass es neben der Massengravitation auch eine Art Abstoßung gibt, die verhindert, dass alle Elementarteilchen miteinander kollidieren.

Diese Art der Anziehung/Schwerkraft und Abstoßung wurde als eine Art Frequenz in den Elementarteilchen erzeugt, die auch das Elementarteilchen verändert.

Von den Grundteilchen gibt es zwei Arten, die jeweils ihre eigene Art abstoßen und die andere anziehen. Diese beiden Teilchen werden Elektronen und Protonen genannt. Laut Definition ist das Proton positiv und das Elektron negativ geladen, die Ladungen dieser beiden Teilchen sind gleich.

Negative Ladung

Im Allgemeinen haben negativ geladene Objekte mehr Elektronen als Protonen. Da die Anzahl der Protonen in einem Atom nicht einfach geändert werden kann, müssen wir, um ein Objekt negativ zu machen, Elektronen in es injizieren.

Positive Ladung

Positiv geladene Objekte haben im Allgemeinen weniger Elektronen als Protonen. Da sich die Anzahl der Protonen in einem Atom nicht einfach ändern lässt, müssen einem Objekt Elektronen entzogen werden, um es positiv zu machen.

Elektronisch

Die Wissenschaft der Elektronik bedeutet, Methoden zur Injektion oder Entnahme von Elektronen aus Leiter- oder Halbleitermaterialien anzugeben und mathematische Beziehungen mit diesen Methoden zu kombinieren.

Digitale Wissenschaft ist die Kombination logischer Beziehungen mit elektronischer Wissenschaft. Bevor Sie diese Methoden erlernen, müssen Sie sich zunächst mit einigen Regeln zwischen Ladungen befassen, unabhängig davon, ob diese stationär sind oder sich bewegen.

Kraft zwischen zwei Lasten

Die Ladung jedes Elektrons ist gleich:

1.602 x 10^-19 coulomb

Jedes Coulomb entspricht der Ladung von 6.242.197.253.433.208.489 Elektronen, die in einem Punkt konzentriert sind.

Die Kraft zwischen zwei Ladungen an zwei verschiedenen Punkten im Abstand r wird durch die folgende Gleichung berechnet:

Der Koeffizient der magnetischen Permeabilität im Vakuum/Weltraum beträgt µ0 und der Koeffizient der elektrischen Permeabilität im Vakuum beträgt Ƹ0 und diese beiden Werte sind in dieser Welt völlig konstant, solange die Lichtgeschwindigkeit (c) konstant ist.

Die aktuelle Geschwindigkeit in Schaltwegen/Drähten beträgt normalerweise etwa die Hälfte der Lichtgeschwindigkeit (die genaue Kenntnis der Geschwindigkeit ist für die Hochfrequenz-Datenübertragung sehr wichtig).

Das elektrische Feld eines Punktes

Die Kraft, die durch die Ansammlung mehrerer Ladungen (aufgrund der Anziehungskraft jeder Ladung) im Raum um ein geladenes Objekt entsteht, wird als elektrisches Feld eines Punktes bezeichnet.

Diese Eigenschaft bewirkt eine Abstoßung einer Ladung gleicher Ladung und eine Anziehung einer Ladung entgegengesetzter Ladung.

Die folgende Beziehung drückt das elektrische Feld um die Elektronen eines Punktes aus:

Elektrische Feldlinien

Es handelt sich um hypothetische Linien, entlang derer die Wirkung des elektrischen Feldes erfolgt. Sie können diese Zeilen in der folgenden Abbildung sehen:

Elektrisches Potenzial (Volt)

Die Energie in einem leitenden Objekt, einem Draht oder einem anderen leitenden Material wird elektrische potentielle Energie oder Volt genannt.

Sie können die Menge der potenziellen Energie relativ zu einem Objekt mit einer 0-V-Quelle (z. B. Erdungskabel) und einem Voltmeter messen.

Potenzielle Energie ergibt sich aus der Multiplikation der Kraft mit der Verschiebung (W=Fd).

Elektrische Potentialdifferenz (Spannung/voltage)

Alle genannten Themen dienten der Vermittlung des Spannungsbegriffs.

Die Differenz zwischen der potentiellen Energie zweier Punkte wird Spannung genannt.

Wenn wir diese beiden Punkte mit einem leitenden Draht verbinden, bewegt sich die potentielle Energie vom höheren Punkt zum niedrigeren Punkt, bis die Punkte die gleiche potentielle Energie erreichen (z. B. zwei parallele Kondensatoren).

Die Einheit der potentiellen Energie ist dieselbe wie Joule, wird in der Elektronikwissenschaft jedoch aufgrund der Bedeutung der Potentialdifferenz als Volt und Spannung bezeichnet.

Die Geschwindigkeit, mit der sich die Ladungen vom höheren zum tieferen Punkt bewegen, wird als elektrische Stromstärke bezeichnet.

• Zwischen zwei 5-V-Quellen fließt kein Strom, zwischen einer 0-V- und einer 5-V-Quelle hingegen Strom.

Aufgrund des vorhandenen Stroms entsteht auch ein Widerstand.

Magnetfeld

In der Definition werden die hypothetischen Linien um ein magnetisches Objekt als Magnetfeld bezeichnet.

Mit anderen Worten: Wo magnetische Eigenschaften vorhanden sind, gibt es auch ein magnetisches Feld.

Magnetische Eigenschaft

Die Eigenschaft eines Magneten wird als magnetische Eigenschaft bezeichnet und bewirkt, dass magnetische Materialien (z. B. Eisen) von ihm angezogen werden.

Die Übertragung magnetischer Eigenschaften auf magnetische Materialien wird magnetische Induktion genannt.

Magnetische Materialien werden in ferromagnetische und paramagnetische unterteilt.

Ferromagnetische Materialien werden in zwei Kategorien unterteilt: weiche Ferromagnete (wie Eisen, das leicht Magnetismus annimmt und wieder verliert) und harte Ferromagnete (wie Stahl, der lange braucht, um magnetische Eigenschaften zu erlangen und diese Eigenschaft über einen längeren Zeitraum beibehält). .

Die paramagnetischen Materialien benötigen ein starkes Magnetfeld, um die magnetischen Eigenschaften zu erlangen, wie beispielsweise Mangan.

Magnetische Feldlinien und ihre Eigenschaften

Eine Reihe unsichtbarer Linien um magnetische Materialien. Mit Hilfe von Eisenspänen können die Auswirkungen dieser Linien in der Umwelt sichtbar gemacht werden.

• Um die Lage der Linien zu erkennen, können Sie ein Papier auf den Magneten legen und die Eisenspäne langsam auf dem Papier verteilen.

Eine der Eigenschaften dieser Linien besteht darin, dass sie sich nie kreuzen und dass das Feld in jedem Bereich, in dem die Linien stärker komprimiert sind, stärker ist.

Die Richtung der Linien ist vom Nordpol zum Südpol definiert (im Inneren eines Magneten ist es umgekehrt).

Elektromagnetisch

Das Magnetfeld kann durch die Nutzung des elektrischen Stroms erzeugt werden.

Das durch den elektrischen Strom erzeugte Magnetfeld wird elektromagnetische Feld genannt.

Wir können einen leitenden Draht oder einen Induktor verwenden, um ein elektromagnetische Feld zu erzeugen.

Wenn wir einen elektrischen Strom durch einen geraden Draht leiten, entsteht um ihn herum ein Magnetfeld.

Die Richtung dieser magnetischen Feldlinien/-schleifen hängt von der Stromrichtung ab.

Im Bild unten sehen Sie, dass die Stromrichtung von oben nach unten verläuft und die Richtung der Schleifen vor dem Draht von rechts nach links verläuft:

Die Richtung der Ringe können Sie im Betriebsmodus mit Hilfe eines Kompasses bestimmen.

Um die Richtung des Feldes zu bestimmen, können Sie in Berechnungen die Rechte-Hand-Regel verwenden.

Wenn wir zwei stromdurchflossene Drähte zusammenbringen, so wie wenn wir zwei Magnete zusammenbringen, üben sie Kräfte aufeinander aus.

Im Bild oben bedeutet F12 die Feldkraft von Draht 1 auf Draht 2 und F21 bedeutet die Feldkraft von Draht 2 auf Draht 1.

Wenn wir nun einen langen beschichteten Draht um einen Stab wickeln, nachdem wir einen Strom angelegt haben, erzeugt das Feld jeder Schleife nicht nur ein starkes Magnetfeld, sondern beeinflusst auch die anderen.

Bei diesem Gerät, das als Induktor oder Drahtrohr bezeichnet wird, müssen wir die Rechte-Hand-Regel anwenden, um die Pole zu bestimmen.

Elektromagnetische Induktion

Bei der elektromagnetischen Induktion wird im Allgemeinen das von einem elektrischen Magneten (erste Spule) erzeugte Magnetfeld in eine andere Spule induziert und dann das elektrische Potenzial in der zweiten Spule wiederhergestellt.

Im elektromagnetischen Bereich ist die Signalkonstruktion aus digitaler Sicht sehr einfach, aus analoger Sicht gibt es jedoch einige Komplikationen.

Elektromagnetische Induktion mit zwei geraden Leitern

Ein gerader, stromführender Draht kann einen elektrischen Strom in einen anderen Draht um ihn herum induzieren. Der Grund für diese Induktion ist die Änderung des magnetischen Flusses.

Im Allgemeinen bedeutet die Änderung des magnetischen Flusses, das Feld zu bewegen, das Feld zu drehen oder die Stärke des Magnetfelds zu ändern.

Im folgenden Schaltkreis können Sie durch die folgenden Änderungen den magnetischen Fluss ändern und eine elektromagnetische Induktion an leitenden Objekten und umgebenden Schaltkreisen induzieren:

• Beweglicher Draht AB
• Drehen Sie den Draht AB
• Schaltkreiswiderstand mit P1 ändern

Wenn elektromagnetische Induktion durchgeführt wird, müssen wir zur Bestimmung der Richtung des induzierten Stroms die Richtung des induzierten Feldes umkehren und die Richtung des induzierten Stroms mithilfe der Rechte-Hand-Regel (Lenz-Gesetz) ermitteln.

Spule (Induktor) / Coil (inductor)

Um einen elektrischen Magneten zu bauen, wickeln wir einen Draht um einen Eisennagel und verbinden die beiden Enden des Drahtes mit einer Batterie. Der Nagel wird durch das Magnetfeld beeinflusst, das durch den elektrischen Strom am Draht erzeugt wird, und wird magnetisiert.

Auch der Aufbau der Spule (Induktor) ist gleich.

Der Induktor besteht normalerweise aus zwei Teilen, einem Eisen-/Ferritkern und einem um den Kern gewickelten Kupferdraht.

Induktoren können auch ohne Eisenkern (Luftkern) sein.

Wenn der Strom in den Draht eindringt, wird ein Teil der Energie verwendet, um ein Magnetfeld zu erzeugen und die magnetischen Dipole im Kern zu regulieren, was dazu führt, dass der Widerstand des Induktors zu Beginn ansteigt und weniger Strom aus ihm abfließt, aber danach die Kerndipole werden reguliert, der Widerstand des Induktors nimmt ab.

Die folgende Abbildung zeigt das Schema des Induktors:

Mithilfe der Induktionseigenschaft der Spulen kann ein Transformator aus mindestens zwei Induktoren hergestellt werden. Ein Transformator ist ein Gerät, mit dem die Eingangsspannung verändert werden kann. Der Transformator verfügt über Arten von Abwärtstransformatoren (zur Reduzierung der Eingangsspannung) und Aufwärtstransformatoren (zur Erhöhung der Eingangsspannung). Der Transformator kann nur im Wechselstrom betrieben werden.

Elektromagnetische Induktion mit einem Induktor

Wenn wir in der Induktivität Gleichstrom verwenden, ändert sich der Fluss nur, wenn der Strom im ersten Moment aufgebaut wird.

Wenn wir jedoch einen sinusförmigen Wechselstrom mit konstanter Frequenz verwenden, kommt es zu einer konstanten Magnetflussänderung, die dazu führt, dass sich das Magnetfeld wellenförmig ausbreitet. Dies nennt man elektromagnetische Wellen.

Jede Induktivität hat einen Selbstinduktionskoeffizienten. Mit diesem Koeffizienten und einer einfachen Berechnung können Sie den Spannungsabfall in der Eingangsspannung ermitteln, wenn die Serieninduktivität verwendet wird:

XL = 2πfL

π = 3.1415 (pi)

In den obigen Beziehungen ist XL der Widerstand, der im Induktor aufgrund der Selbstinduktion im Wechselstrom entsteht.

f ist die Frequenz der Wechselstromquelle,

L ist auch der Selbstinduktivitätskoeffizient des Induktors, der normalerweise auf dem Teil angegeben ist.

• Daraus lässt sich schließen, dass mit zunehmender Frequenz der Widerstand der Induktivität (Induktivität) zunimmt. Infolgedessen spielt die Induktivität L1 in den oben genannten Schaltkreisen die Rolle eines Tiefpassfilters und L2 fungiert als Hochpassfilter.

Anwendung von Induktoren

Die wichtigsten Anwendungen des Induktors sind die Filter und die Generatoren magnetischer/elektromagnetischer Felder.

Lautsprecher:

Sie müssen wissen, dass die Aufgabe des Lautsprechers darin besteht, durch die Vibration seiner runden und elastischen Platte Klang zu erzeugen. Diese Platte vibriert durch die magnetische Kraft.

Hinter dieser Platte steckt ein Induktor und in der Mitte dieses Induktors befindet sich ein Magnet. Durch den Aufbau eines Stroms zum Induktor übt das Magnetfeld eine Kraft auf den Induktor aus und bewirkt, dass sich der Induktor und die Platte bewegen.

Die Platte bewegt die Luft um sich selbst und durch die Vibration der Platte mit Wechselstrom entsteht ein niedriger und hoher Druck.

Mikrofon:

Ein Mikrofontyp hat den gleichen Aufbau wie ein Lautsprecher. Die Platte vibriert aufgrund des Luftdruckunterschieds aufgrund des Schalls und bewirkt, dass sich der Induktor bewegt.

Diese Bewegungen des Induktors mit seinem magnetisch konstanten Kern prägen ein Magnetfeld und elektrische potentielle Energie.

Funkkommunikation:

Um Daten über Funkwellen zu übertragen, ist es notwendig, das elektrische Potenzial in einer Spule und an der Antenne zu erhöhen und zu verringern.

Dadurch entsteht an der Antenne ein elektrisches Feld und durch die Bewegung der Elektronen in den Oszillatorkomponenten (Spule) entsteht ein magnetisches Feld.

Das elektrische und magnetische Feld breitet sich in Form einer elektromagnetischen Welle kugelförmig mit Lichtgeschwindigkeit aus.

Diese Wellen können von Spulen und Antennen empfangen und abgerufen und dann von der Empfängerschaltung verstärkt und dekodiert werden.

In zukünftigen Artikeln werde ich darüber sprechen, wie man mit elektromagnetische Wellen Daten sendet und empfängt.