Induktory a magnetická pole. Magnetické pole na ose krátké cívky s proudem Jak zjistit magnetické pole cívky

Pro koncentraci magnetického pole v určité části prostoru je z drátu vyrobena cívka, kterou prochází proud.

Zvýšení magnetické indukce pole se dosáhne zvýšením počtu závitů cívky a jejím umístěním na ocelové jádro, jehož molekulární proudy vytvářející vlastní pole zvětšují výsledné pole cívky.

Rýže. 3-11. Prstencová cívka.

Prstencová cívka (obrázek 3-11) má w závitů rovnoměrně rozmístěných podél nemagnetického jádra. Povrch ohraničený kružnicí o poloměru shodujícím se s průměrnou magnetickou čárou proniká plný proud.

Díky symetrii je intenzita pole H ve všech bodech ležících na průměrné magnetické přímce stejná, tedy ppm.

Podle zákona celkového proudu

odkud se síla magnetického pole na průměrné magnetické čáře shoduje se středovou osou prstencové cívky,

a magnetickou indukci

Když lze magnetickou indukci na středové čáře uvažovat s dostatečnou přesností rovnou její průměrné hodnotě, a v důsledku toho magnetický tok průřezem cívky

Rovnici (3-20) lze dát tvar Ohmova zákona pro magnetický obvod

kde Ф je magnetický tok; - m.d.s.; - odpor magnetického obvodu (jádra).

Rovnice (3-21) je podobná rovnici Ohmova zákona pro elektrický obvod, tj. magnetický tok se rovná poměru ppm. na magnetický odpor obvodu.

Rýže. 3-12. Válcová cívka.

Válcovou cívku (obr. 3-12) lze považovat za součást prstencové cívky s dostatečně velkým poloměrem a s vinutím umístěným pouze na části jádra, jejíž délka se rovná délce cívky. Síla pole a magnetická indukce na axiální čáře ve středu válcové cívky jsou určeny pomocí vzorců (3-18) a (3-19), které jsou v tomto případě přibližné a použitelné pouze pro cívky s (obr. 3- 12).

Elektromagnetismus je soubor jevů způsobených spojením elektrických proudů a magnetických polí. Někdy toto spojení vede k nežádoucím účinkům. Například proud procházející elektrickými kabely na lodi způsobuje zbytečné vychylování lodního kompasu. Elektřina se však často záměrně používá k vytváření magnetických polí o vysoké intenzitě. Příkladem jsou elektromagnety. Dnes si o nich povíme.

a magnetický tok

Intenzitu magnetického pole lze určit počtem čar magnetického toku na jednotku plochy. se vyskytuje všude tam, kde protéká elektrický proud, a magnetický tok ve vzduchu je úměrný tomu druhému. Přímý drát vedoucí proud může být ohnut do cívky. Při dostatečně malém poloměru cívky to vede ke zvýšení magnetického toku. V tomto případě se síla proudu nezvyšuje.

Účinek koncentrace magnetického toku lze dále zvýšit zvýšením počtu závitů, to znamená stočením drátu do cívky. Platí to i naopak. Magnetické pole cívky s proudem lze zeslabit snížením počtu závitů.

Odvoďme důležitý vztah. V bodě maximální hustoty magnetického toku (kde je nejvíce čar toku na jednotku plochy) je vztah mezi elektrickým proudem I, počtem závitů drátu n a magnetickým tokem B vyjádřen takto: In je úměrný. do B. Proud 12 A protékající cívkou o 3 závitech vytváří přesně stejné magnetické pole jako proud 3 A protékající cívkou o 12 závitech. To je důležité vědět při řešení praktických problémů.

Solenoid

Cívka vinutého drátu, která vytváří magnetické pole, se nazývá solenoid. Dráty mohou být navinuty kolem železa (železné jádro). Vhodná je i nemagnetická základna (například vzduchové jádro). Jak vidíte, k vytvoření magnetického pole cívky s proudem můžete použít víc než jen železo. Pokud jde o velikost toku, jakékoli nemagnetické jádro je ekvivalentní vzduchu. To znamená, že výše uvedený vztah spojovacího proudu, počtu závitů a toku je v tomto případě zcela přesně splněn. Magnetické pole cívky s proudem tedy může být při použití tohoto principu oslabeno.

Použití železa v solenoidu

K čemu se používá železo v solenoidu? Jeho přítomnost ovlivňuje magnetické pole cívky s proudem dvěma způsoby. Zvyšuje proud, často tisíckrát i vícekrát. To však může narušit jeden důležitý proporční vztah. Mluvíme o tom, který existuje mezi magnetickým tokem a proudem v cívkách se vzduchovým jádrem.

Mikroskopické oblasti v železe, domény (přesněji řečeno, jsou budovány v jednom směru působením magnetického pole, které je vytvářeno proudem. Výsledkem je, že v přítomnosti železného jádra tento proud vytváří větší magnetický tok za jednotkový průřez vodiče Hustota magnetického toku se tedy výrazně zvýší, když se všechny domény seřadí ve stejném směru, další zvýšení proudu (nebo počtu závitů v cívce) jen mírně zvýší hustotu magnetického toku.

Pojďme si nyní říci něco málo o indukci. To je důležitá část tématu, které nás zajímá.

Indukce magnetického pole proudové cívky

Přestože magnetické pole solenoidu se železným jádrem je mnohem silnější než magnetické pole solenoidu se vzduchovým jádrem, jeho velikost je omezena vlastnostmi železa. Neexistuje teoreticky žádné omezení velikosti, kterou vytváří cívka vzduchového jádra. Je však obecně velmi obtížné a nákladné získat enormní proudy potřebné k vytvoření pole srovnatelného co do velikosti s polem solenoidu se železným jádrem. Nemusíte vždy jít touto cestou.

Co se stane, když změníte magnetické pole cívky s proudem? Tato akce může vytvořit elektrický proud stejným způsobem, jakým proud vytváří magnetické pole. Když se magnet přiblíží k vodiči, magnetické siločáry protínající vodič v něm indukují napětí. Polarita indukovaného napětí závisí na polaritě a směru změny magnetického toku. Tento efekt je mnohem silnější u cívky než u jednotlivého závitu: je úměrný počtu závitů vinutí. V přítomnosti železného jádra se indukované napětí v elektromagnetu zvyšuje. U této metody je nutné, aby se vodič pohyboval vzhledem k magnetickému toku. Pokud vodič neprotíná čáry magnetického toku, nevznikne žádné napětí.

Jak získáváme energii?

Elektrické generátory vyrábějí proud na stejných principech. Magnet se obvykle otáčí mezi cívkami. Velikost indukovaného napětí závisí na velikosti pole magnetu a rychlosti jeho rotace (určují rychlost změny magnetického toku). Napětí ve vodiči je přímo úměrné rychlosti magnetického toku v něm.

U mnoha generátorů je magnet nahrazen solenoidem. Aby se vytvořilo magnetické pole v cívce s proudem, je solenoid připojen k Jaký bude elektrický výkon generovaný generátorem v tomto případě? Rovná se součinu napětí a proudu. Na druhé straně vztah mezi proudem ve vodiči a magnetickým tokem umožňuje, aby byl tok vytvořený elektrickým proudem v magnetickém poli použit k vyvolání mechanického pohybu. Na tomto principu fungují elektromotory a některé elektrické měřicí přístroje. K vytvoření pohybu v nich je však nutné vynaložit další elektrickou energii.

Silná magnetická pole

V současné době je možné pomocí něj získat nebývalou intenzitu magnetického pole cívky s proudem. Elektromagnety mohou být velmi silné. V tomto případě proud teče beze ztrát, to znamená, že nezpůsobuje zahřívání materiálu. To umožňuje použití vysokých napětí na solenoidy vzduchového jádra a zabraňuje omezení saturace. Tak silné magnetické pole cívky s proudem otevírá velmi velké vyhlídky. Elektromagnety a jejich aplikace jsou předmětem zájmu mnoha vědců z dobrého důvodu. Silná pole se totiž dají využít k pohybu na magnetické levitaci a vytváření nových typů elektromotorů a generátorů. Jsou schopné vysokého výkonu za nízkou cenu.

Energii magnetického pole proudové cívky lidstvo aktivně využívá. Je široce používán již mnoho let, zejména na železnici. Nyní si povíme, jak se magnetické siločáry cívky s proudem využívají k regulaci pohybu vlaků.

Magnety na železnici

Železnice obvykle používají systémy, ve kterých se elektromagnety a permanentní magnety vzájemně doplňují pro větší bezpečnost. Jak tyto systémy fungují? Silný je připevněn těsně ke kolejnici v určité vzdálenosti od semaforů. Při průjezdu vlaku nad magnetem se osa permanentního plochého magnetu v kabině strojvedoucího otočí o malý úhel, po kterém magnet zůstane v nové poloze.

Regulace provozu na železnici

Pohyb plochého magnetu spustí poplachový zvonek nebo sirénu. Pak se stane následující. Po několika sekundách kabina řidiče přejde přes elektromagnet, který je připojen k semaforu. Pokud dá vlaku zelenou, elektromagnet se nabudí a osa permanentního magnetu ve voze se otočí do původní polohy, čímž se vypne signál v kabině. Když je na semaforu červená nebo žlutá, elektromagnet se vypne a po určité prodlevě se automaticky zabrzdí, pokud na to samozřejmě řidič nezapomněl. Brzdový okruh (stejně jako zvukový signál) je připojen k síti od okamžiku otočení osy magnetu. Pokud se magnet během zpoždění vrátí do původní polohy, brzda nezabere.

Vytváří kolem sebe magnetické pole. Člověk by nebyl sám sebou, kdyby nepřišel na to, jak využít tak úžasnou vlastnost proudu. Na základě tohoto jevu vytvořil člověk elektromagnety.

Jejich použití je v moderním světě velmi rozšířené a všudypřítomné. Elektromagnety jsou pozoruhodné tím, že na rozdíl od permanentních magnetů je lze podle potřeby zapínat a vypínat a měnit sílu magnetického pole kolem nich. Jak se využívají magnetické vlastnosti proudu? Jak vznikají a jak se používají elektromagnety?

Magnetické pole proudové cívky

Na základě experimentů bylo možné zjistit, že magnetické pole kolem vodiče s proudem může být zesíleno, pokud je drát stočený do tvaru spirály. Ukázalo se, že jde o druh cívky. Magnetické pole takové cívky je mnohem větší než magnetické pole jednoho vodiče.

Kromě toho jsou siločáry magnetického pole cívky s proudem umístěny podobným způsobem jako siločáry běžného obdélníkového magnetu. Cívka má dva póly a magnetické linie rozbíhající se v obloucích podél cívky. Takový magnet lze kdykoli zapnout a vypnout, respektive zapnout a vypnout proud ve vodičích cívky.

Způsoby ovlivnění magnetických sil cívky

Ukázalo se však, že současná cívka má další pozoruhodné vlastnosti. Čím více závitů cívka obsahuje, tím silnější je magnetické pole. To vám umožní sbírat magnety různé síly. Existují však jednodušší způsoby, jak ovlivnit velikost magnetického pole.

Takže když se proud v drátech cívky zvyšuje, síla magnetického pole se zvyšuje, a naopak, když proud klesá, magnetické pole slábne. Čili jednoduchým zapojením reostatu získáme nastavitelný magnet.

Magnetické pole cívky s proudem lze výrazně zvýšit zavedením železné tyče dovnitř cívky. Říká se tomu jádro. Použití jádra umožňuje vytvářet velmi silné magnety. Například při výrobě používají magnety schopné zvednout a udržet několik desítek tun hmotnosti. Toho je dosaženo následovně.

Jádro je ohnuto do tvaru oblouku a na jeho dvou koncích jsou umístěny dvě cívky, kterými prochází proud. Cívky jsou spojeny vodiči 4e tak, aby jejich póly splývaly. Jádro zesiluje jejich magnetické pole. Na tuto konstrukci je zespodu připevněna deska s hákem, na které je zavěšeno břemeno. Taková zařízení se používají v továrnách a přístavech k přesunu velmi těžkých nákladů. Tato závaží se snadno připojují a odpojují při zapínání a vypínání proudu v cívkách.

Elektromagnety a jejich aplikace

Elektromagnety se používají tak široce, že je možná obtížné pojmenovat elektromechanické zařízení, ve kterém by nebyly použity. Dveře ve vchodech jsou drženy elektromagnety.

Elektromotory v široké škále zařízení přeměňují elektrickou energii na mechanickou energii pomocí elektromagnetů. Zvuk v reproduktorech je vytvářen pomocí magnetů. A to není úplný seznam. Obrovské množství vymožeností moderního života vděčí za svou existenci použití elektromagnetů.

Pokud je rovný vodič svinut do kruhu, pak lze studovat magnetické pole kruhového proudu.
Provedeme experiment (1). Drát ve formě kruhu protáhneme kartonem. Umístíme několik volných magnetických šipek na povrch kartonu v různých bodech. Zapneme proud a uvidíme, že magnetické šipky ve středu cívky ukazují stejný směr a vně cívky na obou stranách opačný směr.
Nyní zopakujme experiment (2) se změnou pólů, a tedy i směru proudu. Vidíme, že magnetické šipky změnily směr po celé ploše kartonu o 180 stupňů.
Uzavřeme: magnetické čáry kruhového proudu také závisí na směru proudu ve vodiči.
Provedeme pokus 3. Odstraňte magnetické šipky, zapněte elektrický proud a opatrně nasypte malé železné piliny po celém povrchu kartonu. Získáme obraz magnetických siločar, který se nazývá „spektrum magnetického pole kruhového proudu“. Jak můžeme v tomto případě určit směr magnetických siločar? Znovu aplikujeme pravidlo gimlet, ale aplikujeme na kruhový proud. Je-li směr otáčení rukojeti závěsu kombinován se směrem proudu v kruhovém vodiči, pak se směr translačního pohybu závěsu bude shodovat se směrem magnetických siločar.
Podívejme se na několik případů.
1. Rovina cívky leží v rovině plechu, proud podél cívky protéká ve směru hodinových ručiček. Otáčením cívky ve směru hodinových ručiček určíme, že magnetické siločáry ve středu cívky směřují dovnitř cívky „od nás“. To je obvykle označeno znaménkem „+“ (plus). Tito. do středu cívky vložíme „+“
2. Rovina cívky leží v rovině plechu, proud podél cívky protéká proti směru hodinových ručiček. Otočením cívky proti směru hodinových ručiček určíme, že magnetické siločáry vycházejí ze středu cívky „směrem k nám“. To je obvykle označeno „∙“ (tečka). Tito. do středu zatáčky musíme umístit tečku („∙“).
Pokud je kolem válce navinutý přímý vodič, získáte cívku s proudem nebo solenoid.
Proveďme pokus (4.) K pokusu použijeme stejný obvod, jen drát nyní prochází kartonem ve formě cívky. Položme několik volných magnetických jehel na rovinu kartonu v různých bodech: na obou koncích cívky, uvnitř cívky a na obou stranách vně. Nechte cívku umístit vodorovně (ve směru zleva doprava). Zapneme obvod a zjistíme, že magnetické šipky umístěné podél osy cívky ukazují jeden směr. Všimli jsme si, že na pravém konci cívky šipka ukazuje, že siločáry vstupují do cívky, což znamená, že toto je „jižní pól“ (S), a na levé straně magnetická šipka ukazuje, že vycházejí, to je „severní pól“ (N). Na vnější straně cívky mají magnetické jehly opačný směr ve srovnání se směrem uvnitř cívky.
Provedeme experiment (5). Ve stejném obvodu změňme směr proudu. Zjistíme, že směr všech magnetických jehel se změnil, otočily se o 180 stupňů. Došli jsme k závěru: směr magnetických siločar závisí na směru proudu podél závitů cívky.
Proveďme experiment (6). Odstraníme magnetické šipky a zapneme obvod. Karton opatrně osolte železnými pilinami uvnitř i vně kotouče. Získáme obrázek magnetických siločar, který se nazývá „spektrum magnetického pole cívky s proudem“
Jak můžeme určit směr magnetických siločar? Směr magnetických siločar je určen pravidlem gimletu stejným způsobem jako u cívky s proudem: Pokud je směr otáčení rukojeti kombinován se směrem proudu v cívkách, pak směr translace pohyb se bude shodovat se směrem magnetických siločar uvnitř solenoidu. Magnetické pole solenoidu je podobné magnetickému poli permanentního tyčového magnetu. Konec cívky, ze kterého siločáry vycházejí, bude „severní pól“ (N) a konec, do kterého siločáry vstupují, bude „jižní pól“ (S).
Po objevu Hanse Oersteda začalo mnoho vědců opakovat jeho experimenty a vymýšlet nové, aby objevili důkazy o spojení mezi elektřinou a magnetismem. Francouzský vědec Dominique Arago umístil železnou tyč do skleněné trubice a na ni navinul měděný drát, kterým procházel elektrický proud. Jakmile Arago uzavřel elektrický obvod, železná tyč se zmagnetizovala tak silně, že k sobě přitáhla železné klíče. Vytáhnout klíče stálo hodně úsilí. Když Arago vypnul zdroj energie, klíče samy spadly! Arago tedy vynalezl první elektromagnet. Moderní elektromagnety se skládají ze tří částí: vinutí, jádro a kotva. Dráty jsou umístěny ve speciálním plášti, který funguje jako izolant. Vícevrstvá cívka je navinutá drátem - vinutí elektromagnetu. Jako jádro je použita ocelová tyč. Deska, která je přitahována k jádru, se nazývá armatura. Elektromagnety jsou v průmyslu široce používány díky svým vlastnostem: při vypnutí proudu se rychle demagnetizují; mohou být vyrobeny v různých velikostech v závislosti na účelu; Změnou síly proudu můžete regulovat magnetické působení elektromagnetu. Elektromagnety se používají v továrnách k přenášení výrobků z oceli a litiny. Tyto magnety mají velkou zvedací sílu. Elektromagnety se také používají v elektrických zvoncích, elektromagnetických separátorech, mikrofonech a telefonech. Dnes jsme se podívali na magnetické pole kruhového proudu, cívky s proudem. Seznámili jsme se s elektromagnety, jejich využitím v průmyslu a národním hospodářství.