轉矩電流環
扭矩表現為一種扭轉力,具有產生旋轉的趨勢。旋轉軸被描述為材料運動的點。電流環上的扭矩基本上透過放置在均勻磁場中的矩形形狀來演示,該矩形承受扭矩。扭矩極其重要,因為它有助於確定施加的力是否會導致順時針或逆時針運動。
什麼是扭矩?
扭矩定義為圍繞樞軸、軸和支點的移動物體的旋轉力。在扭矩的電流環中,電能透過過程轉換為機械功 (Alghamdi et al. 2019)。扭矩取決於多種因素,例如力的大小、旋轉軸與力作用點之間的距離以及力相對於力作用點到軸的連線的方向。
圖1:均勻磁場中的矩形電流環
扭矩的大小使用公式 T = 牛頓·米 (Nm) 計算。N 表示力單位,m 表示米,即距離單位。均勻磁場中不同結構的電流環上的扭矩 (T) 為 T = NIAB sin θ (Stiehl et al. 2019)。
其中,N 表示匝數,I 表示電流,A 表示環路面積,B 表示磁場強度,θ 表示磁場垂直線與環路之間的角度。
什麼是磁偶極矩?
磁偶極子定義為由少量距離隔開的磁北極和磁南極。磁偶極矩具有電流乘以面積的量綱,或磁通密度除以能量 (Cao & Thurlbeck, 2019)。偶極矩的單位是安培平方米。
圖2:磁體的偶極矩
小型磁體或磁體偶極矩的強度由 m = NIA 給出,這是一個向量量。磁體偶極矩的方向由右手定則確定。
電流環上的扭矩 - 磁矩
磁偶極子是指不同閉合電流環或極對的組合,當源尺寸最小化為零時 (Kurmann & Duarte, 2019)。在保持磁矩完全不變的同時,將其減小到零。
情況1:環平面沿磁場方向
考慮矩形環處於 B(均勻磁場)與環平面平行的情況。磁場對環臂不施加壓力,並且施加的力指向環平面內。其大小表示為 F1 = IzB。
同樣,它在 RS 線上施加一個力 F2,該力指向紙面外。數學上,F2 = IzB = F1。因此,環的淨力為零。環的扭矩趨於逆時針旋轉。
T = F1 (y/2) = F2 (y/2)
= IzB (y/2) = IzB (y/2)
= I (y x z) B
= IAB……… (1)
圖3:電流環上扭矩的磁矩
情況2:環平面不沿磁場方向
考慮環平面不與磁場平行,而是與磁場成一定角度的情況。設線圈法線與磁場之間的角度為 θ。臂 RS 和 PQ 上的力分別為 F1 和 F2。因此,它們在大小上也相反且相等,
F1 = F2 = IzB。
由於它們不共線,因此會產生一個力偶。與環平面沿磁場方向的情況相比,扭矩的影響較小。環上的扭矩大小為
T= F1 (y/2) sinθ+ F2 (y/2) sinθ
= I (y×z) B sinθ
= IABsinθ …….(2)
因此,將這兩個計算結果結合起來表示為線圈磁矩與磁場方向的向量積。電流環的磁矩為 m = IA。
電流環上的扭矩:電動機和儀表
物理學中的電動機被認為是磁體對載流導線的力的普遍應用。電動機在磁場中具有線圈 (Kholmetskii, Missevitch & Yarman, 2020)。磁場對線圈施加扭矩,使線圈作為軸旋轉。
圖4:電動機和儀表
像汽車上模擬燃油表之類的儀表被定義為磁體對載流環施加的扭矩的應用。儀表的結構與電動機的結構幾乎相同。扭矩足夠大,足以對電機產生作用 (Kawaharazuka et al. 2019)。儀表的扭矩與環路電流成正比,而與 θ 無關。因此,在儀表中,指標的偏轉與電流成正比。
結論
扭矩還有助於預測特定材料旋轉時角加速度的形式。扭矩以不同的單位計算,因為它可以很大或很小,並且可以使用線上扭矩轉換器輕鬆轉換為任何型別的單位。磁體的偶極矩被認為是 NMR 中兩個質子之間或電子和質子之間磁體弛豫的重要機制。扭矩和磁矩的關係已透過方程觀察到。
常見問題
Q1. 電流環的扭矩公式是什麼?
電流環的扭矩公式表示為 T = NIAB sin θ。當 θ 等於 90° 且 Sin θ 等於 1 時,扭矩最大。
Q2. 電流環上的淨扭矩是多少?
作用在環上的淨扭矩為零。因此,它停止旋轉,環必須處於平衡狀態。
Q3. 扭矩中的 m 是什麼?
在 SI 系統中,牛頓·米表示為扭矩單位。1 Nm 等於垂直作用於力矩臂末端的 1 牛頓力產生的扭矩。
Q4. 為什麼扭矩隨距離增加而增大?
扭矩隨距離增加而增大,因為在離軸較遠的地方,在相同角度下需要覆蓋較大的距離,弧度較大。如果工作需要,它可以覆蓋較大的距離。