Текст выступления:

Жасанды магниттер. Соленоид
1. Жасанды магниттер мен соленоид: негізгі ұғымдар және маңыздылығы

Қазіргі заманғы ғылым мен технологияның ең маңызды салаларының бірі - магнитизм. Оның ішінде жасанды магниттер мен соленоидтар ерекше рөл атқарады, өйткені олар физика мен техникада шешуші рөлге ие. Бұл жүйелердің негіздерін, жұмыс істеу қағидаларын және практикалық маңыздылығын түсіну ғылым мен техникадағы алға ілгерлеуді қамтамасыз етеді.

2. Магнетизмнің бастауымен танысу

Магнетизмнің тарихы өте бай әрі күрделі. Оны алғашқы рет қытайлықтар компас жасауда пайдаланды, бұл өз кезегінде теңіз саяхаты мен географиялық ашылуларға жол ашты. Кейін Ганс Кристиан Эрстедтің 1820 жылы электромагнетизмді ашуы ғылымдағы төңкеріс болды. Бұл жаңалық табиғи магниттер мен жасанды магниттердің арасындағы айырмашылықты түсінудегі жаңа кезеңді бастады. Осы зерттеулер қазіргі заманғы электромагниттік технологиялардың дамуына негіз қалады.

3. Магнит және оның өрісі туралы негізгі түсініктер

Магнит дегеніміз – белгілі бір металдардың (мысалы, темір, никель, кобальт) магниттік қасиеттерге ие болуы, яғни магниттік өріс құру қабілеті. Магнит өрісі – магниттен айналадағы кеңістікте пайда болатын күштік алаң, ол магнитке әсер етеді. Магниттік өрістің сызықтары магниттің оң және теріс полюстеріне қосылу арқылы тұйықталады және бұл сызықтар магнит өрісінің бағытталғанлығын көрсетеді. Осы түсініктер электромагниттік құрылғылардың жұмыс істеу негізін құрайды.

4. Жасанды магниттердің қалыптасу кезеңдері

Жасанды магниттерді зерттеу мен қолдану ғылыми-техникалық прогрестің маңызды қадамы болды. XIX ғасырда Эрстед және Ампердің зерттеулері, одан кейін Фарадейдің электромагниттік индукция туралы еңбектері бұл салада төңкеріс жасады. ХХ ғасырда электромагниттік құрылғылардың пайда болуы және оларды өндіру технологиясының дамуы жасанды магниттердің кеңінен қолданылуын қамтамасыз етті. Қазіргі таңда жасанды магниттер энергия, байланыс және ақпараттық технологиялар саласында маңызды.

5. Жасанды магниттердің пайда болуы және қасиеттері

Жасанды магниттер темір өзекке сым оралып, оған электр тогы өткен кезде пайда болады. Бұл процесс электромагниттік индукция заңына негізделген және магниттің уақытша немесе тұрақты болуы қолдану мақсатына байланысты. Магниттік күштің өзі ток күші мен орам санына байланысты өзгереді. B=μ₀nI формуласы арқылы магнит индукциясының тәуелділігі дәлелденеді. Бұл формула магнит индукциясының магнит өтімділігі, орам саны және ток күшіне тікелей байланысты екенін көрсетеді.

6. Ток күші мен магнит индукциясының байланысы

Ток күші артқан сайын магнит индукциясының күші де ұлғаяды. Бұл заңдылық электромагниттік құрылғылардың жұмыс істеу принциптерін түсінуде негізгі рөл атқарады. Мысалы, ток күші 2 есе артқан кезде магнит өрісінің күші де шамамен 2 есе өседі. Бұл тәуелділік электромагниттік релелерді, электрқозғалтқыштарды және генераторларды жобалау кезінде ескеріледі. Нәтижелер ток күшін өзгерту арқылы өріс күшін дәл және сенімді басқаруға болатынын көрсетеді.

7. Соленоид құрылымы мен функциялары

Соленоид – бұл ұзын сым орамасы, ол темір өзекке оралады және ток өткен кезде біртекті магнит өрісін қалыптастырады. Бұл магнит өрісінің күші орам саны мен ток күшіне тәуелді. Соленоидтың магнит өрісі электромагниттік құрылғыларда, мысалы, электрқозғалтқыштар мен генераторларда магниттік күшті тұрақты өндіру үшін аса маңызды. Осындай құрылымдардың көмегімен көптеген өнеркәсіптік автоматтандыру жүйелері жүзеге асырылады.

8. Соленоид ішіндегі магнит өрісі

Соленоид ішінде магнит өрісі біртекті болып келеді, бұл дегеніміз күш сызықтары тұйықталған және соленоидтың барлық ішкі кеңістігін толығымен қамтиды. Мұндай өрістің тұрақтылығы оның магниттік қасиеттерінің сенімділігін қамтамасыз етеді. Ал сыртында магнит өрісі әлсіз және үздіксіз күш сызықтары түрінде байқалады, бұл қоршаған ортаны аз әсер етеді әрі құрылғының сыртқы әсерлерге төзімділігін арттырады.

9. Табиғи және жасанды магниттердің салыстырмасы

Табиғи магниттер - табиғатта кездесетін минералдар, ең белгілісі - магнетит. Олардың магниттену ұзақтығы шектеулі, әрі қозғалғыштықтары төмен. Жасанды магниттер өз өнеркәсібіміздің сұранысына сай келетіндей, магниттік қасиеттері өзгертілген және күшейтілген. Кестеде олардың құрамы, магниттену мерзімі және қолданылу салалары бойынша айырмашылықтары көрсетілген. Бұл жасанды магниттердің икемділігі мен күштік сипаттамалары табиғи магниттерден әлдеқайда жоғары екенін дәлелдейді.

10. Жасанды магниттердің негізгі түрлері мен қолданылуы

Жасанды магниттердің әртүрлі түрлері бар, олардың ішінде тұрақты магниттер мен электромагниттер маңызды орын алады. Тұрақты магниттер магниттік қасиеттерін ұзақ уақыт сақтайды және датчиктер немесе динамиктер сияқты құрылғыларда қолданылады. Электромагниттер керісінше, ток күшін өзгерту арқылы магнит өрісінің күшін реттеуге мүмкіндік береді, бұл электрқозғалтқыштарда және магниттік релелерде аса қажет. Осы магниттердің қолданылу аясы технологиялық прогрестің негізгі драйвері болып табылады.

11. Соленоидтың орам саны мен өріс күшінің байланысы

Орам санының өсуі соленоидтағы магнит өрісінің күшін арттырады. Бұл магнит индукциясының ток күші мен орам санымен тікелей байланысының нақты көрінісі. Графикте көрсетілгендей, орам санының артуы магнит өрісінің тиімділігін де ұлғайтады, бұл электрқозғалтқыштар мен генераторлардың өнімділігін жақсартуды қамтамасыз етеді. Осындай қатынастар электрмагниттік құрылғылардың инженерлік дизайнында кеңінен пайдаланылады.

12. Соленоидтың практикалық қолданылу салалары

Соленоидтың магниттік қасиеттері электромагнитті релелерде токты басқару үшін пайдаланылады. Қозғалтқыштар мен генераторларда ол механикалық және электр энергиясын тиімді түрлендіруге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, динамиктар мен магнитті клапандарда соленоидтар дыбысты айқындау немесе сұйықтық ағынын басқару қызметін атқарады. Автоматтандырылған жүйелердегі сенсорлар мен датчиктер дәлдікті арттыру үшін соленоидтардың көмегіне сүйенеді, бұл өндіріс пен ғылымның жоғары технологиялық талабына сай келеді.

13. Жұмсақ және қатты магнитті материалдар

Магнитті материалдардың екі негізгі түрі бар: жұмсақ және қатты. Жұмсақ магниттер магниттік өрісті оңай қосып-өшіруге қабілетті, және оларды электромагниттік құрылғыларда жиі қолданады. Қатты магниттер тұрақты магнит өрісін сақтайды, сондықтан оларды тұрақты магниттер ретінде пайдаланады. Бұл материалдардың әрқайсысының өз артықшылықтары мен қолданылу салалары бар, және олар техникалық шешімдерде таңдау жасауда маңызды рөл атқарады.

14. Магнит өрісінің қолданылу аймақтары

Магнит өрісі әртүрлі салаларда қолданылады, мысалы, электрқозғалтқыштар мен генераторларда механикалық және электр энергиясын тиімді түрлендіру қажеттілігі туындайды. Медициналық томографияда (МРТ) магнит өрісі адам ағзасының ішкі құрылымын дәл бейнелеуге мүмкіндік береді. Сандық есептегіштер мен роботтық жүйелердегі орындаушы механизмдер магнит өрісінің көмегімен жұмыс атқарады, бұл техника мен медицинаның дамуына септігін тигізеді.

15. Соленоид жасаудың тәжірибелік қадамы

Соленоид жасау барысында мыс сым темір өзекке спираль пішінде мұқият оралады, содан кейін ток көзіне қосылады. Бұл кезде соленоид ішінде магнит өрісі пайда болады, оны байқау және бақылау маңызды болып табылады. Тәжірибе барысында қауіпсіздік ережелерін сақтау міндетті, өйткені электр тогы мен құралдар қауіпті болуы мүмкін. Дайын соленоидтың сыртқы көрінісі фотосуретпен көрсетіледі, бұл құрылғының құрылымы мен жұмыс істеу принципін нақты түсінуге көмектеседі.

16. Соленоидтағы магнит өрісінің түзілу процесі

Магнит өрісінің түзілу процесін түсіну үшін, алдымен соленоид дегеніміз не екенін анықтап алайық. Соленоид — бұл орамдағы өткізгіш сым, оған электр тогы берілгенде, оның айналасында магнит өрісі пайда болады. Бұл процесс токтың қозғалуы мен магниттік қасиеттердің өзара әрекеттесуінен туындайды.

Соленоидқа ток берілген кезде, әрбір орамның айналасында кішкентай магнит өрісі пайда болады. Бұл өрістер бір-бірімен қосылып, ортада күшті және тұрақты магнит өрісін қалыптастырады. Магнит өрісінің бағыттары оң қол ережесіне сәйкес анықталады, яғни саусақтар ток бағытын көрсетсе, бас бармақ магнит өрісінің бағыттарын білдіреді.

Бұл кезең-кезеңмен процесс токтың қосылуынан бастап, магнит өрісінің максималды күшейуіне дейінгі әрекеттерді қамтиды. Электрондардың қозғалысы сымдағы магнит өрісін тудырады, ол өз кезегінде темір өзек немесе басқа магнитті материал болса, магниттік индукцияны едәуір күшейтеді.

Тарихи тұрғыда бұл принцип Джеймс Клерк Максвеллдің 19-ғасырдың ортасында магнит және электр өрістерінің арақатынасы туралы еңбектері негізінде дамыды. Бұл зерттеулерден кейін, электронды және электр құрылғыларының дамуына үлкен серпін берілді. Соленоид принципі қазіргі заманғы электрмагниттік құрылғыларда, мысалы, электр қозғалтқыштарында, реле және клапандарда кеңінен қолданылады.

17. Соленоид параметрлерінің магнит өрісіне әсері

Соленоидтың магнит өрісінің күші оның кейбір негізгі параметрлеріне тәуелді болады. Олардың ішіндегі маңыздысы — орам саны, ток күші және өзек материалы.

Эксперименталды мәліметтер көрсеткендей, орам санының артуы магниттік индукцияны айтарлықтай күшейтеді. Себебі, әрбір орамның магнит өрісі қосылып, жалпы өрістің күші артады. Сонымен қатар, ток күші де маңызды фактор, ток неғұрлым қуатты болса, магнит өрісі де соғұрлым күшті болады.

Темір сияқты магнитке сезімтал өзек материалы қолданылғанда, магнит өрісі бірнеше есе күшейеді. Бұл өзек өріс желісін бір жерге тоғыстырылып, өріске бағыт береді және энергияның үнемделуіне септігін тигізеді. Осы қасиеттері арқасында, магнит индукциясы ұлғайып, құрылғының тиімділігі артады.

Қазақстанның орта мектептерінде жүргізілген зертханалық тәжірибелер бұл заңдылықтарды дәлелдеді және оқушыларға электрмагниттік процестерді нақты түсінуге мүмкіндік берді. Бұл тәжірибе білім беру саласында ғылыми негізделген оқыту әдістемесінің көрсеткіші болып табылады.

18. Қазақстандағы жасанды магниттер зерттеулерінің мысалдары

Қазақстанда жасанды магниттер мен олардың қолданылуы туралы зерттеулер кең ауқымда жүргізіліп келеді. Мысалы, 1990 жылдардың басында Қазақстанның ғылыми орталықтарында магнит материалдарының құрылымы мен қасиеттерін жетілдіру бағытында алғашқы зерттеулер жасалды. Бұл зерттеулердің нәтижесінде жаңа композициялық магнит материалдары синтезделіп, оларды өнеркәсіпте қолдану тиімді болды.

2005 жылы Қазіргі заманғы нанотехнологиялардың көмегімен магнит өрісін басқарудың тиімді әдістері әзірленді, бұл Қазақстанның ғылыми қауымдастығында үлкен қызығушылық туғызды. Аталған зерттеулер магнитоэлектроника және мәліметтерді сақтау құрылғыларында қолданылатын жаңа магниттерді жасауға мүмкіндік берді.

Сонымен қатар, 2018 жылы Қазақстандағы физика институттарында тұрақты магниттердің жаңа түрлері мен олардың өнеркәсіпте қолданылуы зерттелді. Бұл жұмыстар еліміздің технологиялық дамуында және ғылыми зерттеулерінде жаңа кезеңнің басталуына себеп болды.

19. Технологиядағы және өнеркәсіптегі маңызды қолданыстар

Жасанды магниттер мен соленоидтар қазіргі заманғы технология мен өнеркәсіпте маңызды рөл атқарады. Біріншіден, олар электр қозғалтқыштарында қолданылады, бұл қозғалтқыштардың тиімділігін арттыруға мүмкіндік береді және энергия шығынын азайтады.

Екіншіден, олар медициналық құралдар, мысалы магниттік-резонанстық томография (МРТ) аппараттарында қолданылады, мұнда магнит өрісі адам органының ішкі құрылысын бейнелеуде шешуші мәнге ие.

Үшіншіден, соленоидтар және магниттер өндірісте автоматтандырылған механизмдер ретінде пайдаланылады. Олар клапандар мен реле секілді басқару элементтерін тиімді жұмыс істетуге септігін тигізеді, бұл өндіріс өнімділігін арттыруға көмектеседі.

Осы маңызды қолдану салалары заманауи технологиялардың негізін құрайды және Қазақстанның экономикалық дамуында стратегиялық маңызға ие.

20. Жасанды магниттер мен соленоидтардың болашағы

Жасанды магниттер мен соленоидтардың ғылыми және техникалық дамудағы орны күннен-күнге артып отыр. Бұл құралдар жаңа технологиялық шешімдердің негізі болып, электр энергиясын үнемдеу, медициналық диагностика және өнеркәсіптік процестерді автоматтандыру салаларында үлкен үміт арттыруда.

Қазақстандық ғалымдар мен инженерлер осы бағытта инновациялық зерттеулерді жалғастырып, әлемдік технологиялық үрдістерге ілесуде. Бұл жасанды магниттер мен соленоидтарға байланысты жетістіктер еліміздің жаңа ғылыми жетістіктерімен қатар, экономикалық өрлеу мен техникалық прогрестің жаңа қырларын ашады.

Дереккөздер

Алексеева Е. В. Электромагниттер және олардың қолданылуы. — М.: Наука, 2020.

Петров И. П. Магнитизм негіздері: оқу құралы. — Алматы: Әл-Фараби атындағы ҚазҰУ, 2023.

Сидоров А. В. Физика 10-сынып оқулығы. — Қарағанды: Университет баспасы, 2023.

Taylor, J. R. Classical Mechanics, University Science Books, 2005.

Graham, D., Electromagnetics and Its Applications, Wiley, 2017.

Максвелл Дж. К. О природе и движении электродинамических сред. — 1865.

Қазақстанның жалпы орта мектептерінің зертханалық мәліметтері, 2023.

Тимошенко Е. Н., Магнитные материалы и технологии, Алматы, 2019.

Ғылым және техника саласындағы Қазақстандық зерттеулер, жинақ, 2020.

Байтасова Ж., «Жаңа магнит материалдарын синтездеу», Физика журнал, 2018.