المحاثات والمجالات المغناطيسية. المجال المغناطيسي على محور ملف قصير مع التيار. كيفية العثور على المجال المغناطيسي للملف

لتركيز المجال المغناطيسي في جزء معين من الفضاء ، يتم صنع ملف من سلك يتم من خلاله تمرير تيار.

يتم تحقيق زيادة في الحث المغناطيسي للمجال عن طريق زيادة عدد لفات الملف ووضعه على قلب فولاذي ، حيث تعمل التيارات الجزيئية ، التي تخلق مجالها الخاص ، على زيادة المجال الناتج للملف.

أرز. 3-11. لفائف الحلقات.

يحتوي الملف الحلقي (الشكل 3-11) على w يتحول بالتساوي على طول النواة غير المغناطيسية. السطح ، الذي تحده دائرة نصف قطرها يتزامن مع متوسط الخط المغناطيسي ، مثقوب بتيار إجمالي.

بسبب التناظر ، فإن شدة المجال H في جميع النقاط الواقعة على الخط المغناطيسي الأوسط هي نفسها ، وبالتالي ، mf.

حسب قانون التيار الكامل

من أين تتزامن شدة المجال المغناطيسي على الخط المغناطيسي الأوسط مع الخط المحوري للملف الحلقي ،

والحث المغناطيسي

عندما يمكن اعتبار الحث المغناطيسي على الخط المحوري بدقة كافية مساوياً لمتوسط قيمته ، وبالتالي التدفق المغناطيسي عبر المقطع العرضي للملف

يمكن إعطاء المعادلة (3-20) شكل قانون أوم للدائرة المغناطيسية

أين Ф - التدفق المغناطيسي ؛ - دكتوراه في الطب ؛ - مقاومة الدائرة المغناطيسية (النواة).

المعادلة (3-21) تشبه معادلة قانون أوم لدائرة كهربائية ، أي أن التدفق المغناطيسي يساوي نسبة جزء في المليون. للمقاومة المغناطيسية للدائرة.

أرز. 3-12. لفائف أسطوانية.

يمكن اعتبار الملف الأسطواني (الشكل 3-12) جزءًا من ملف حلقي بنصف قطر كبير بدرجة كافية وبلف موجود فقط على جزء من القلب ، طوله يساوي طول الملف. يتم تحديد شدة المجال والحث المغناطيسي على الخط المحوري في وسط الملف الأسطواني بواسطة الصيغ (3-18) و (3-19) ، والتي تكون في هذه الحالة تقريبية وقابلة للتطبيق فقط للملفات ذات (الشكل 3). 12).

الكهرومغناطيسية هي مجموعة من الظواهر الناجمة عن اتصال التيارات الكهربائية والمجالات المغناطيسية. في بعض الأحيان يؤدي هذا الاتصال إلى تأثيرات غير مرغوب فيها. على سبيل المثال ، يتسبب التيار المتدفق عبر الكابلات الكهربائية على متن السفينة في انحراف غير ضروري لبوصلة السفينة. ومع ذلك ، غالبًا ما يتم استخدام الكهرباء بشكل متعمد لإنشاء مجالات مغناطيسية ذات كثافة عالية. مثال على ذلك هو المغناطيس الكهربائي. سنتحدث عنها اليوم.

والتدفق المغناطيسي

يمكن تحديد شدة المجال المغناطيسي بعدد خطوط التدفق المغناطيسي لكل وحدة مساحة. يحدث حيثما يتدفق تيار كهربائي ، ويكون التدفق المغناطيسي في الهواء متناسبًا مع الأخير. يمكن ثني تيار يحمل سلكًا مستقيمًا في ملف. مع نصف قطر ملف صغير بما فيه الكفاية ، يؤدي ذلك إلى زيادة التدفق المغناطيسي. في هذه الحالة ، لا تزيد القوة الحالية.

يمكن زيادة تأثير تركيز التدفق المغناطيسي عن طريق زيادة عدد الدورات ، أي لف السلك في ملف. والعكس صحيح أيضا. يمكن إضعاف المجال المغناطيسي للملف مع التيار عن طريق تقليل عدد الدورات.

نحن نشتق علاقة مهمة. عند نقطة الحد الأقصى لكثافة التدفق المغناطيسي (توجد أكثر خطوط التدفق لكل وحدة مساحة) ، يتم التعبير عن العلاقة بين التيار الكهربائي I وعدد لفات السلك n والتدفق المغناطيسي B على النحو التالي: In يتناسب مع V يتدفق تيار 12 أ خلال ملف من 3 لفات ، ويخلق نفس المجال المغناطيسي تمامًا مثل تيار 3 أ يتدفق عبر ملف من 12 دورة. من المهم معرفة ذلك عند حل المشكلات العملية.

الملف اللولبي

يسمى ملف السلك الملفوف الذي يخلق مجالًا مغناطيسيًا الملف اللولبي. يمكن لف الأسلاك على الحديد (قلب الحديد). ستعمل أيضًا قاعدة غير مغناطيسية (مثل قلب الهواء). كما ترى ، لا يمكن استخدام الحديد فقط لإنشاء مجال مغناطيسي للملف الحالي. من حيث التدفق ، فإن أي قلب غير مغناطيسي يعادل الهواء. وهذا يعني أن العلاقة أعلاه المتعلقة بالتيار وعدد الدورات والتدفق ، في هذه الحالة تتحقق بدقة تامة. وبالتالي ، يمكن إضعاف المجال المغناطيسي للملف مع التيار إذا تم تطبيق هذا النمط.

استخدام الحديد في الملف اللولبي

لماذا يستخدم الحديد في الملف اللولبي؟ يؤثر وجودها على المجال المغناطيسي للملف بالتيار بطريقتين. إنه يزيد التيار ، غالبًا آلاف المرات أو أكثر. ومع ذلك ، يمكن انتهاك علاقة تناسبية مهمة في هذه الحالة. نحن نتحدث عن ذلك الموجود بين التدفق المغناطيسي والتيار في ملفات قلب الهواء.

المناطق المجهرية في الحديد ، المجالات (بشكل أكثر دقة ، تحت تأثير المجال المغناطيسي الذي تم إنشاؤه بواسطة التيار ، يتم بناؤها في اتجاه واحد. ونتيجة لذلك ، في وجود قلب حديدي ، فإن هذا التيار يخلق تدفقًا مغناطيسيًا أكبر لكل وحدة من السلك ، وبالتالي تزداد كثافة التدفق بشكل كبير ، فعندما تصطف جميع المجالات في نفس الاتجاه ، فإن الزيادة الإضافية في التيار (أو عدد الدورات في الملف) تزيد بشكل طفيف من كثافة التدفق المغناطيسي.

الآن دعنا نتحدث قليلا عن الاستقراء. هذا جزء مهم من موضوعنا.

تحريض المجال المغناطيسي للملف مع التيار

على الرغم من أن المجال المغناطيسي لملف لولبي ذو قلب حديدي أقوى بكثير من مجال الملف اللولبي في قلب الهواء ، إلا أن حجمه محدود بخصائص الحديد. حجم الملف الذي تم إنشاؤه بواسطة لفائف قلب الهواء غير محدود نظريًا. ومع ذلك ، كقاعدة عامة ، من الصعب جدًا والمكلف الحصول على التيارات الضخمة اللازمة لإنشاء مجال يضاهي حجم الملف اللولبي ذو النواة الحديدية. ليس عليك دائمًا السير في هذا الطريق.

ماذا يحدث إذا قمت بتغيير المجال المغناطيسي للملف الحامل للتيار؟ يمكن أن يولد هذا الإجراء تيارًا كهربائيًا بنفس الطريقة التي يخلق بها التيار مجالًا مغناطيسيًا. عندما يقترب المغناطيس من موصل ، فإن خطوط القوة المغناطيسية التي تعبر الموصل تحفز جهدًا فيه. تعتمد قطبية الجهد المستحث على قطبية واتجاه تغير التدفق المغناطيسي. هذا التأثير أقوى بكثير في الملف منه في دورة واحدة: إنه يتناسب مع عدد اللفات في الملف. في وجود قلب حديدي ، يزداد الجهد المستحث في الملف اللولبي. بهذه الطريقة ، تكون حركة الموصل بالنسبة إلى التدفق المغناطيسي ضرورية. إذا لم يعبر الموصل خطوط التدفق المغناطيسي ، فلن يحدث أي جهد.

كيف تحصل على الطاقة

المولدات الكهربائية تولد التيار على أساس نفس المبادئ. عادة ما يدور المغناطيس بين الملفات. يعتمد حجم الجهد المستحث على حجم المجال المغناطيسي وسرعة دورانه (يحددان معدل تغير التدفق المغناطيسي). الجهد في الموصل يتناسب طرديا مع سرعة التدفق المغناطيسي فيه.

في العديد من المولدات ، تم استبدال المغناطيس بملف لولبي. من أجل إنشاء مجال مغناطيسي للملف بالتيار ، يتم توصيل الملف اللولبي بـ ماذا ستكون في هذه الحالة الطاقة الكهربائية التي يولدها المولد؟ إنه يساوي ناتج الجهد والتيار. من ناحية أخرى ، فإن العلاقة بين التيار في الموصل والتدفق المغناطيسي تجعل من الممكن استخدام التدفق الناتج عن تيار كهربائي في مجال مغناطيسي للحصول على الحركة الميكانيكية. تعمل المحركات الكهربائية وبعض أدوات القياس الكهربائية على هذا المبدأ. ومع ذلك ، لإنشاء حركة فيها ، من الضروري إنفاق طاقة كهربائية إضافية.

المجالات المغناطيسية القوية

في الوقت الحاضر ، يمكن استخدام هذا للحصول على شدة غير مسبوقة للمجال المغناطيسي للملف مع التيار. يمكن أن تكون المغناطيسات الكهربائية قوية جدًا. في هذه الحالة ، يتدفق التيار بدون خسائر ، أي لا يتسبب في تسخين المادة. هذا يسمح لتطبيق الفولتية العالية على الملفات اللولبية الهوائية وتجنب التقييد بسبب تأثير التشبع. مثل هذا المجال المغناطيسي القوي للملف مع التيار يفتح آفاقًا كبيرة جدًا. المغناطيسات الكهربائية وتطبيقاتها ليست عبثًا في مصلحة العديد من العلماء. بعد كل شيء ، يمكن استخدام الحقول القوية للتحرك على "وسادة" مغناطيسية وإنشاء أنواع جديدة من المحركات والمولدات الكهربائية. إنها قادرة على إنتاج طاقة عالية بتكلفة منخفضة.

تستخدم البشرية بنشاط طاقة المجال المغناطيسي للملف مع التيار. لقد تم استخدامه على نطاق واسع لسنوات عديدة ، ولا سيما في السكك الحديدية. سنتحدث الآن عن كيفية استخدام الخطوط المغناطيسية لمجال الملف مع التيار لتنظيم حركة القطارات.

مغناطيس للسكك الحديدية

تستخدم السكك الحديدية عادةً أنظمة تكمل فيها المغناطيسات الكهربائية والمغناطيس الدائم ، من أجل مزيد من الأمان. كيف تعمل هذه الأنظمة؟ واحد قوي متصل بالقرب من السكة على مسافة معينة من إشارات المرور. أثناء مرور القطار فوق المغناطيس ، يدور محور المغناطيس المسطح الدائم في كابينة السائق بزاوية صغيرة ، وبعد ذلك يظل المغناطيس في الوضع الجديد.

مراقبة حركة السكك الحديدية

تعمل حركة المغناطيس المسطح على تنشيط جرس الإنذار أو صفارة الإنذار. ثم يحدث ما يلي. بعد بضع ثوانٍ ، تمر كابينة السائق فوق المغناطيس الكهربائي المتصل بإشارة المرور. إذا أعطى القطار الضوء الأخضر ، فسيتم تنشيط المغناطيس الكهربائي ويتحول محور المغناطيس الدائم في السيارة إلى موضعه الأصلي ، مما يؤدي إلى إيقاف تشغيل الإشارة في الكابينة. عندما يضيء الضوء الأحمر أو الأصفر عند إشارة المرور ، يتم إيقاف تشغيل المغناطيس الكهربائي ، وبعد تأخير معين ، يتم تشغيل الفرامل تلقائيًا ، إلا إذا نسي السائق القيام بذلك بالطبع. دائرة الفرامل (بالإضافة إلى إشارة الصوت) متصلة بالشبكة من لحظة دوران محور المغناطيس. إذا عاد المغناطيس إلى موضعه الأصلي أثناء التأخير ، فلن يتم استخدام الفرامل.

يخلق مجال مغناطيسي حول نفسه. لن يكون الشخص هو نفسه إذا لم يكتشف كيفية استخدام هذه الخاصية الرائعة للتيار. بناءً على هذه الظاهرة ، خلق الإنسان مغناطيسًا كهربائيًا.

تطبيقهم واسع جدًا وواسع الانتشار في العالم الحديث. تعتبر المغناطيسات الكهربائية رائعة من حيث أنه ، على عكس المغناطيس الدائم ، يمكن تشغيلها وإيقافها حسب الحاجة ، ويمكن تغيير قوة المجال المغناطيسي من حولها. كيف يتم استخدام الخصائص المغناطيسية للتيار؟ كيف يتم صنع المغناطيسات الكهربائية واستخدامها؟

المجال المغناطيسي للملف مع التيار

نتيجة للتجارب ، كان من الممكن معرفة أن المجال المغناطيسي حول موصل مع تيار يمكن تقويته إذا تم لف السلك في شكل حلزوني. اتضح نوع من الملف. المجال المغناطيسي لمثل هذا الملف أكبر بكثير من المجال المغناطيسي لموصل واحد.

علاوة على ذلك ، يتم ترتيب خطوط قوة المجال المغناطيسي للملف مع التيار بطريقة مماثلة لخطوط القوة لمغناطيس مستطيل تقليدي. يحتوي الملف على قطبين وأقواس لخطوط مغناطيسية متباعدة على طول الملف. يمكن تشغيل وإيقاف هذا المغناطيس في أي وقت ، على التوالي ، عن طريق تشغيل وإيقاف التيار في أسلاك الملف.

طرق للتأثير على القوى المغناطيسية للملف

ومع ذلك ، فقد تبين أن الملف الحالي له خصائص أخرى رائعة. كلما زاد عدد الدورات التي يتكون منها الملف ، أصبح المجال المغناطيسي أقوى. هذا يسمح لك بجمع مغناطيس من نقاط القوة المختلفة. ومع ذلك ، هناك طرق أبسط للتأثير على حجم المجال المغناطيسي.

لذلك ، مع زيادة القوة الحالية في أسلاك الملف ، تزداد قوة المجال المغناطيسي ، وعلى العكس من ذلك ، مع انخفاض القوة الحالية ، يضعف المجال المغناطيسي. أي ، مع اتصال أولي لمقاوم متغير ، نحصل على مغناطيس قابل للتعديل.

يمكن زيادة المجال المغناطيسي للملف الحامل للتيار بشكل كبير عن طريق إدخال قضيب حديدي داخل الملف. إنه يسمى النواة. يتيح استخدام النواة إمكانية إنشاء مغناطيس قوي للغاية. على سبيل المثال ، في الإنتاج ، يتم استخدام مغناطيس يمكنه رفع واستيعاب عدة عشرات من الأطنان من الوزن. يتم تحقيق ذلك بالطريقة التالية.

ينحني القلب على شكل قوس ، ويتم وضع ملفين على طرفيه ، حيث يتم تمرير التيار من خلاله. يتم توصيل الملفات بواسطة أسلاك 4e بحيث تتطابق أقطابها. يضخم اللب مجالهم المغناطيسي. من الأسفل ، يتم إحضار لوحة مع خطاف إلى هذا الهيكل ، حيث يتم تعليق الحمولة. يتم استخدام أجهزة مماثلة في المصانع والموانئ لنقل الأحمال ذات الوزن الكبير جدًا. يتم توصيل هذه الأوزان وفصلها بسهولة عند تشغيل التيار وإيقاف تشغيله في الملفات.

المغناطيسات الكهربائية وتطبيقاتها

تُستخدم المغناطيسات الكهربائية في كل مكان بحيث يصعب تسمية جهاز كهروميكانيكي لا يمكن استخدامه فيه. يتم تثبيت الأبواب في المداخل بواسطة مغناطيس كهربائي.

تقوم المحركات الكهربائية للأجهزة المختلفة بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية باستخدام المغناطيسات الكهربائية. يتم إنشاء الصوت في مكبرات الصوت باستخدام المغناطيس. وهذه ليست قائمة كاملة. يدين عدد كبير من وسائل الراحة في الحياة الحديثة بوجودها لاستخدام المغناطيسات الكهربائية.

إذا تم طي موصل مستقيم في دائرة ، فيمكن فحص المجال المغناطيسي للتيار الدائري.
دعونا نجري التجربة (1). قم بتمرير السلك على شكل دائرة عبر الورق المقوى. لنضع بعض الأسهم المغناطيسية المجانية على سطح الورق المقوى في نقاط مختلفة. قم بتشغيل التيار ولاحظ أن الأسهم المغناطيسية في مركز الملف تظهر نفس الاتجاه ، وخارج الملف على كلا الجانبين في الاتجاه الآخر.
الآن لنكرر التجربة (2) ، تغيير القطبين ، ومن ثم اتجاه التيار. نرى أن الأسهم المغناطيسية قد غيرت الاتجاه على كامل سطح الكرتون بمقدار 180 درجة.
نستنتج أن الخطوط المغناطيسية للتيار الدائري تعتمد أيضًا على اتجاه التيار في الموصل.
دعنا نجري تجربة 3. دعنا نزيل الأسهم المغناطيسية ، ونشغل التيار الكهربائي ونصب بعناية برادة حديدية صغيرة على كامل سطح الورق المقوى. حصلنا على صورة لخطوط القوة المغناطيسية ، والتي تسمى "طيف المجال المغناطيسي الدائري الحالي ". كيف ، في هذه الحالة ، لتحديد اتجاه خطوط المجال المغناطيسي؟ مرة أخرى ، نطبق قاعدة gimlet ، ولكن كما هو مطبق على التيار الدائري. إذا كان اتجاه دوران مقبض المثقاب محاذيًا لاتجاه التيار في الموصل الدائري ، فإن اتجاه الحركة الانتقالية للمقبض سيتزامن مع اتجاه خطوط القوة المغناطيسية.
دعونا ننظر في عدة حالات.
1. يقع مستوى الملف في مستوى الورقة ، ويمر التيار عبر الملف في اتجاه عقارب الساعة. من خلال تدوير الملف في اتجاه عقارب الساعة ، نحدد أن خطوط القوة المغناطيسية في مركز الملف يتم توجيهها داخل الملف "بعيدًا عنا". يشار إلى هذا بشكل تقليدي بعلامة "+" (زائد). أولئك. في وسط الملف نضع "+"
2. يقع مستوى الملف في مستوى الصفيحة ، ويمر التيار عبر الملف عكس اتجاه عقارب الساعة. من خلال تدوير الملف عكس اتجاه عقارب الساعة ، نحدد أن خطوط القوة المغناطيسية تخرج من مركز الملف "نحونا". يُشار إلى هذا تقليديًا بـ "" (نقطة). أولئك. في وسط الملف ، يجب أن نضع نقطة ("∙").
إذا تم لف موصل مستقيم حول أسطوانة ، فسيتم الحصول على ملف به تيار ، أو ملف لولبي.
دعونا نجري تجربة (4.) نستخدم نفس الدائرة للتجربة ، يتم الآن تمرير السلك فقط من خلال الورق المقوى على شكل ملف. دعنا نضع عدة أسهم مغناطيسية مجانية على مستوى الورق المقوى في نقاط مختلفة: على طرفي الملف ، وداخل الملف وعلى كلا الجانبين بالخارج. دع الملف يوضع أفقيًا (الاتجاه من اليسار إلى اليمين). قم بتشغيل الدائرة واكتشف أن الإبر المغناطيسية الموجودة على طول محور الملف تظهر اتجاهًا واحدًا. نلاحظ أنه في الطرف الأيمن من الملف ، يوضح السهم أن خطوط القوة تدخل الملف ، مما يعني أن هذا هو "القطب الجنوبي" (S) ، وفي الطرف الأيسر تظهر الإبرة المغناطيسية أنهم يغادرون ، هذا هو "القطب الشمالي" (شمال). خارج الملف ، فإن الإبر المغناطيسية لها اتجاه معاكس مقارنة بالاتجاه داخل الملف.
دعونا نجري التجربة (5). في نفس الدائرة ، قم بتغيير اتجاه التيار. وجدنا أن اتجاه جميع الأسهم المغناطيسية قد تغير ، فقد استداروا بمقدار 180 درجة. نستنتج أن اتجاه خطوط المجال المغناطيسي يعتمد على اتجاه التيار عبر لفات الملف.
دعونا نجري التجربة (6). قم بإزالة الأسهم المغناطيسية وتشغيل الدائرة. بعناية "الملح مع برادة الحديد" الكرتون داخل وخارج البكرة. نحصل على صورة لخطوط المجال المغناطيسي ، والتي تسمى "طيف المجال المغناطيسي للملف مع التيار"
ولكن كيف تحدد اتجاه خطوط المجال المغناطيسي؟ يتم تحديد اتجاه خطوط المجال المغناطيسي وفقًا لقاعدة المثقاب بنفس الطريقة التي يتم بها تحديد الملف ذي التيار: إذا كان اتجاه دوران المقبض المخروطي محاذيًا لاتجاه التيار في الملفات ، فإن اتجاه ستتزامن الحركة متعدية مع اتجاه خطوط المجال المغناطيسي داخل الملف اللولبي. المجال المغناطيسي للملف اللولبي مشابه لمغناطيس قضيب دائم. سيكون نهاية الملف الذي تخرج منه خطوط القوة هو "القطب الشمالي" (N) ، وسيكون الطرف الذي تدخل إليه خطوط القوة هو "القطب الجنوبي" (S).
بعد اكتشاف Hans Oersted ، بدأ العديد من العلماء في تكرار تجاربه ، وابتكروا تجارب جديدة من أجل العثور على دليل على العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية. وضع العالم الفرنسي دومينيك أراغو قضيبًا حديديًا في أنبوب زجاجي ولف سلكًا نحاسيًا فوقه ، يمر من خلاله تيار كهربائي. بمجرد أن أغلق أراغو الدائرة الكهربائية ، أصبح القضيب الحديدي ممغنطًا بقوة لدرجة أنه جذب المفاتيح الحديدية إليه. استغرق الأمر الكثير من الجهد لإخراج المفاتيح. عندما أوقف أراغو مصدر الطاقة ، سقطت المفاتيح من تلقاء نفسها! لذلك اخترع أراغو أول مغناطيس كهربائي. تتكون المغناطيسات الكهربائية الحديثة من ثلاثة أجزاء: متعرج ، ولب ، وحديد التسليح. يتم وضع الأسلاك في غلاف خاص يلعب دور عازل. ملف متعدد الطبقات ملفوف بسلك - لف مغناطيس كهربائي. يتم استخدام قضيب فولاذي كقلب. اللوحة التي تنجذب إلى القلب تسمى المرساة. تُستخدم المغناطيسات الكهربائية على نطاق واسع في الصناعة نظرًا لخصائصها: فهي تزيل المغناطيسية بسرعة عند إيقاف التيار ؛ يمكن صنعها بأحجام مختلفة حسب الغرض ؛ عن طريق تغيير التيار ، يمكن التحكم في الحركة المغناطيسية للمغناطيس الكهربائي. تستخدم المغناطيسات الكهربائية في المصانع لنقل منتجات الصلب والحديد الزهر. هذه المغناطيسات لديها قوة رفع كبيرة. تستخدم المغناطيسات الكهربائية أيضًا في الأجراس الكهربائية والفواصل الكهرومغناطيسية والميكروفونات والهواتف. درسنا اليوم المجال المغناطيسي للتيار الدائري ، والملفات مع التيار. تعرفنا على المغناطيسات الكهربائية وتطبيقاتها في الصناعة والاقتصاد الوطني.