Induktivitäten und Magnetfelder. Magnetfeld auf der Achse einer kurzen Spule mit Strom So finden Sie das Magnetfeld der Spule

Um das Magnetfeld in einem bestimmten Teil des Raums zu konzentrieren, wird eine Spule aus einem Draht hergestellt, durch den ein Strom geleitet wird.

Eine Erhöhung der magnetischen Induktion des Feldes wird erreicht, indem die Anzahl der Windungen der Spule erhöht und auf einen Stahlkern gelegt wird, dessen Molekularströme, die ihr eigenes Feld erzeugen, das resultierende Feld der Spule erhöhen.

Reis. 3-11. Ringspule.

Die ringförmige Spule (Abbildung 3-11) hat w Windungen, die gleichmäßig entlang des nichtmagnetischen Kerns verteilt sind. Die Oberfläche, die von einem Kreis begrenzt wird, dessen Radius mit der mittleren Magnetlinie zusammenfällt, wird von einem Gesamtstrom durchdrungen.

Aufgrund der Symmetrie ist die Feldstärke H an allen auf der mittleren Magnetlinie liegenden Punkten gleich, also m.f.

Nach dem Gesetz des vollen Stroms

woraus die magnetische Feldstärke auf der mittleren magnetischen Linie, die mit der axialen Linie der ringförmigen Spule zusammenfällt,

und die magnetische Induktion

Bei magnetischer Induktion auf der axialen Linie mit ausreichender Genauigkeit kann ihr Mittelwert und folglich der magnetische Fluss durch den Querschnitt der Spule als gleich angesehen werden

Gleichung (3-20) kann die Form des Ohmschen Gesetzes für einen Magnetkreis erhalten

wo Ф - magnetischer Fluss; - MD; - Widerstand des Magnetkreises (Kern).

Gleichung (3-21) ähnelt der Gleichung des Ohmschen Gesetzes für einen elektrischen Stromkreis, d. h. der magnetische Fluss ist gleich dem Verhältnis von ppm. zum magnetischen Widerstand des Stromkreises.

Reis. 3-12. Zylindrische Spule.

Die Zylinderspule (Abb. 3-12) kann als Teil einer Ringspule mit ausreichend großem Radius und nur auf einem Teil des Kerns befindlicher Wicklung betrachtet werden, deren Länge gleich der Spulenlänge ist. Die Feldstärke und die magnetische Induktion auf der axialen Linie in der Mitte einer zylindrischen Spule werden durch die Formeln (3-18) und (3-19) bestimmt, die in diesem Fall ungefähr sind und nur für Spulen mit (Fig. 3- 12).

Elektromagnetismus ist eine Reihe von Phänomenen, die durch die Verbindung von elektrischen Strömen und Magnetfeldern verursacht werden. Manchmal führt diese Verbindung zu unerwünschten Effekten. Beispielsweise verursacht der Strom, der durch die elektrischen Kabel auf einem Schiff fließt, eine unnötige Auslenkung des Schiffskompasses. Elektrizität wird jedoch häufig bewusst eingesetzt, um Magnetfelder großer Intensität zu erzeugen. Ein Beispiel sind Elektromagnete. Wir werden heute über sie sprechen.

und magnetischer Fluss

Die Stärke des Magnetfeldes kann durch die Anzahl magnetischer Feldlinien pro Flächeneinheit bestimmt werden. tritt überall dort auf, wo ein elektrischer Strom fließt, und der magnetische Fluss in der Luft ist diesem proportional. Ein gerader, stromdurchflossener Draht kann zu einer Spule gebogen werden. Bei ausreichend kleinem Spulenradius führt dies zu einer Erhöhung des magnetischen Flusses. In diesem Fall steigt die Stromstärke nicht an.

Der Effekt der magnetischen Flusskonzentration kann weiter verstärkt werden, indem die Anzahl der Windungen erhöht wird, d. h. der Draht zu einer Spule verdrillt wird. Das Gegenteil ist auch wahr. Das Magnetfeld einer bestromten Spule kann durch Verringerung der Windungszahl abgeschwächt werden.

Wir leiten eine wichtige Beziehung ab. Am Punkt maximaler magnetischer Flussdichte (es gibt die meisten Feldlinien pro Flächeneinheit) wird der Zusammenhang zwischen dem elektrischen Strom I, der Drahtwindungszahl n und dem magnetischen Fluss B wie folgt ausgedrückt: In ist proportional zu V Ein Strom von 12 A, der durch eine Spule mit 3 Windungen fließt, erzeugt genau das gleiche Magnetfeld wie ein Strom von 3 A, der durch eine Spule mit 12 Windungen fließt. Es ist wichtig, dies zu wissen, wenn man praktische Probleme löst.

Magnet

Eine Spule aus gewickeltem Draht, die ein Magnetfeld erzeugt, wird als Solenoid bezeichnet. Drähte können auf Eisen (Eisenkern) gewickelt werden. Eine nicht magnetische Basis (z. B. ein Luftkern) funktioniert ebenfalls. Wie Sie sehen können, kann nicht nur Eisen verwendet werden, um ein Magnetfeld für eine Stromspule zu erzeugen. In Bezug auf den Fluss entspricht jeder nichtmagnetische Kern Luft. Das heißt, die obige Beziehung, die den Strom, die Anzahl der Windungen und den Fluss in Beziehung setzt, wird in diesem Fall ziemlich genau erfüllt. Somit kann das Magnetfeld einer Spule mit Strom geschwächt werden, wenn dieses Muster angewendet wird.

Die Verwendung von Eisen im Solenoid

Warum wird Eisen in einem Solenoid verwendet? Seine Anwesenheit beeinflusst das Magnetfeld der Spule mit Strom auf zwei Arten. Es erhöht den Strom, oft tausendfach oder mehr. Allerdings kann dabei eine wichtige proportionale Beziehung verletzt werden. Wir sprechen von dem, der zwischen dem magnetischen Fluss und dem Strom in Luftspulen besteht.

Mikroskopisch kleine Bereiche in Eisen, Domänen (genauer gesagt, unter Einwirkung eines Magnetfelds, das durch Strom erzeugt wird, werden in einer Richtung aufgebaut. Infolgedessen erzeugt dieser Strom in Gegenwart eines Eisenkerns einen größeren Magnetfluss pro Einheit Abschnitt des Drahtes dar. Dadurch steigt die Flussdichte deutlich an.Wenn sich alle Domänen in die gleiche Richtung ausrichten, erhöht eine weitere Erhöhung des Stroms (oder der Windungszahl der Spule) die magnetische Flussdichte nur noch geringfügig.

Lassen Sie uns nun ein wenig über Induktion sprechen. Dies ist ein wichtiger Teil unseres Themas.

Induktion des Magnetfeldes einer Spule mit Strom

Obwohl das Magnetfeld eines Solenoids mit Eisenkern viel stärker ist als das eines Solenoids mit Luftkern, ist seine Größe durch die Eigenschaften des Eisens begrenzt. Die Größe der durch die Luftspule erzeugten ist theoretisch unbegrenzt. In der Regel ist es jedoch sehr schwierig und teuer, die enormen Ströme zu erhalten, die erforderlich sind, um ein Feld zu erzeugen, das in seiner Größe mit dem eines Elektromagneten mit Eisenkern vergleichbar ist. Diesen Weg muss man nicht immer gehen.

Was passiert, wenn man das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule verändert? Diese Aktion kann einen elektrischen Strom auf die gleiche Weise erzeugen, wie ein Strom ein Magnetfeld erzeugt. Wenn sich ein Magnet einem Leiter nähert, induzieren magnetische Kraftlinien, die den Leiter kreuzen, eine Spannung in ihm. Die Polarität der induzierten Spannung hängt von der Polarität und Richtung der magnetischen Flussänderung ab. Dieser Effekt ist in der Spule viel stärker als in einer einzelnen Windung: Er ist proportional zur Anzahl der Windungen in der Wicklung. Bei Vorhandensein eines Eisenkerns steigt die induzierte Spannung im Elektromagneten an. Bei diesem Verfahren ist die Bewegung des Leiters relativ zum magnetischen Fluss notwendig. Wenn der Leiter die magnetischen Feldlinien nicht kreuzt, tritt keine Spannung auf.

Wie bekommt man energie

Elektrische Generatoren erzeugen Strom nach denselben Prinzipien. Normalerweise dreht sich der Magnet zwischen den Spulen. Die Größe der induzierten Spannung hängt von der Größe des Magnetfelds und der Geschwindigkeit seiner Rotation ab (sie bestimmen die Änderungsrate des Magnetflusses). Die Spannung in einem Leiter ist direkt proportional zur Geschwindigkeit des magnetischen Flusses darin.

Bei vielen Generatoren wurde der Magnet durch eine Magnetspule ersetzt. Um ein magnetisches Feld der Spule mit Strom zu erzeugen, wird der Elektromagnet an Was wird in diesem Fall die vom Generator erzeugte elektrische Energie sein? Sie ist gleich dem Produkt aus Spannung und Strom. Andererseits ermöglicht die Beziehung zwischen Strom in einem Leiter und magnetischem Fluss, den durch einen elektrischen Strom in einem Magnetfeld erzeugten Fluss zu verwenden, um eine mechanische Bewegung zu erhalten. Elektromotoren und einige elektrische Messgeräte arbeiten nach diesem Prinzip. Um sie jedoch in Bewegung zu versetzen, muss zusätzliche elektrische Energie aufgewendet werden.

Starke Magnetfelder

Gegenwärtig ist es möglich, eine beispiellose Intensität des Magnetfelds einer Spule mit Strom zu erhalten. Elektromagnete können sehr stark sein. In diesem Fall fließt der Strom verlustfrei, d.h. verursacht keine Erwärmung des Materials. Dies ermöglicht das Anlegen hoher Spannungen an Luftspulen und vermeidet die Begrenzung durch den Sättigungseffekt. Ein solch starkes Magnetfeld einer Spule mit Strom eröffnet sehr große Perspektiven. Elektromagnete und ihre Anwendungen interessieren viele Wissenschaftler nicht umsonst. Schließlich lassen sich starke Felder nutzen, um sich auf einem magnetischen „Kissen“ fortzubewegen und neuartige Elektromotoren und Generatoren zu erschaffen. Sie sind in der Lage, hohe Leistung bei geringen Kosten zu erbringen.

Die Energie des Magnetfelds einer Spule mit Strom wird von der Menschheit aktiv genutzt. Es ist seit vielen Jahren weit verbreitet, insbesondere bei Eisenbahnen. Wir werden jetzt darüber sprechen, wie die magnetischen Linien des Felds einer Spule mit Strom verwendet werden, um die Bewegung von Zügen zu regulieren.

Eisenbahnmagnete

Bahnen verwenden in der Regel Systeme, bei denen sich Elektromagnete und Permanentmagnete für mehr Sicherheit ergänzen. Wie funktionieren diese Systeme? Ein starker wird in der Nähe der Schiene in einem bestimmten Abstand von Ampeln angebracht. Während der Fahrt des Zuges über den Magneten dreht sich die Achse des Permanent-Flachmagneten im Führerstand um einen kleinen Winkel, danach verbleibt der Magnet in der neuen Position.

Bahnverkehrskontrolle

Die Bewegung des Flachmagneten aktiviert eine Alarmglocke oder Sirene. Dann passiert folgendes. Nach ein paar Sekunden fährt die Fahrerkabine über den Elektromagneten, der mit der Ampel verbunden ist. Gibt er dem Zug grünes Licht, wird der Elektromagnet erregt und die Achse des Permanentmagneten im Waggon dreht sich in ihre ursprüngliche Position, wodurch das Signal im Führerstand ausgeschaltet wird. Wenn das rote oder gelbe Licht an der Ampel leuchtet, wird der Elektromagnet ausgeschaltet und nach einer gewissen Verzögerung schaltet sich die Bremse automatisch ein, es sei denn, der Fahrer hat dies natürlich vergessen. Der Bremskreis (sowie das Tonsignal) wird ab dem Moment, in dem die Magnetachse gedreht wird, mit dem Netz verbunden. Wenn der Magnet während der Verzögerung in seine ursprüngliche Position zurückkehrt, wird die Bremse nicht betätigt.

Erzeugt ein Magnetfeld um sich herum. Ein Mensch wäre nicht er selbst, wenn er nicht herausgefunden hätte, wie man eine so wunderbare Eigenschaft des Stroms nutzt. Basierend auf diesem Phänomen schuf der Mensch Elektromagnete.

Ihre Anwendung ist sehr breit und allgegenwärtig in der modernen Welt. Elektromagnete sind insofern bemerkenswert, als sie im Gegensatz zu Permanentmagneten nach Bedarf ein- und ausgeschaltet werden können und die Stärke des Magnetfelds um sie herum geändert werden kann. Wie werden die magnetischen Eigenschaften von Strom genutzt? Wie werden Elektromagnete hergestellt und verwendet?

Das Magnetfeld einer Spule mit Strom

Durch Experimente konnte festgestellt werden, dass das Magnetfeld um einen Leiter mit Strom verstärkt werden kann, wenn der Draht spiralförmig aufgerollt wird. Es stellt sich eine Art Spule heraus. Das Magnetfeld einer solchen Spule ist viel größer als das Magnetfeld eines einzelnen Leiters.

Außerdem sind die Kraftlinien des Magnetfelds der strombeaufschlagten Spule ähnlich wie die Kraftlinien eines herkömmlichen Rechteckmagneten angeordnet. Die Spule hat zwei Pole und Bögen divergierender Magnetlinien entlang der Spule. Ein solcher Magnet kann jederzeit ein- bzw. ausgeschaltet werden, indem der Strom in den Spulendrähten ein- und ausgeschaltet wird.

Möglichkeiten zur Beeinflussung der magnetischen Kräfte der Spule

Es stellte sich jedoch heraus, dass die Stromspule andere bemerkenswerte Eigenschaften hat. Je mehr Windungen die Spule hat, desto stärker wird das Magnetfeld. So können Sie Magnete unterschiedlicher Stärke sammeln. Es gibt jedoch einfachere Möglichkeiten, die Größe des Magnetfelds zu beeinflussen.

Mit zunehmender Stromstärke in den Drähten der Spule nimmt also die Stärke des Magnetfelds zu und umgekehrt mit abnehmender Stromstärke das Magnetfeld schwächer. Das heißt, mit einer elementaren Verbindung eines Rheostaten erhalten wir einen einstellbaren Magneten.

Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule kann stark erhöht werden, indem man einen Eisenstab in die Spule einführt. Es heißt der Kern. Die Verwendung eines Kerns ermöglicht es, sehr starke Magnete herzustellen. In der Produktion werden beispielsweise Magnete verwendet, die mehrere zehn Tonnen Gewicht heben und halten können. Dies wird auf folgende Weise erreicht.

Der Kern wird in Form eines Bogens gebogen, und an seinen beiden Enden werden zwei Spulen angebracht, durch die Strom fließt. Die Spulen sind durch Drähte 4e verbunden, so dass ihre Pole zusammenfallen. Der Kern verstärkt ihr Magnetfeld. An diese Struktur wird von unten eine Platte mit einem Haken herangeführt, an der eine Last aufgehängt wird. Ähnliche Vorrichtungen werden in Fabriken und Häfen verwendet, um Lasten mit sehr großem Gewicht zu bewegen. Diese Gewichte lassen sich leicht verbinden und trennen, wenn der Strom in den Spulen ein- und ausgeschaltet wird.

Elektromagnete und ihre Anwendungen

Elektromagnete werden so allgegenwärtig verwendet, dass es vielleicht schwierig ist, ein elektromechanisches Gerät zu nennen, in dem sie nicht verwendet würden. Die Türen in den Eingängen werden durch Elektromagnete gehalten.

Elektromotoren verschiedener Geräte wandeln mithilfe von Elektromagneten elektrische Energie in mechanische Energie um. Der Ton in den Lautsprechern wird mithilfe von Magneten erzeugt. Und dies ist keine vollständige Liste. Viele Annehmlichkeiten des modernen Lebens verdanken ihre Existenz der Verwendung von Elektromagneten.

Faltet man einen geraden Leiter zu einem Kreis, so lässt sich das Magnetfeld des Kreisstroms untersuchen.
Führen wir das Experiment (1) durch. Führen Sie den Draht in Form eines Kreises durch den Karton. Lassen Sie uns an verschiedenen Stellen ein paar freie Magnetpfeile auf der Oberfläche des Kartons platzieren. Schalten Sie den Strom ein und sehen Sie, dass die Magnetpfeile in der Mitte der Spule in die gleiche Richtung zeigen und außerhalb der Spule auf beiden Seiten in die andere Richtung.
Wiederholen wir nun das Experiment (2) und ändern die Pole und damit die Richtung des Stroms. Wir sehen, dass die magnetischen Pfeile auf der gesamten Oberfläche des Kartons ihre Richtung um 180 Grad geändert haben.
Wir schließen daraus: Die magnetischen Linien des Kreisstroms hängen auch von der Richtung des Stroms im Leiter ab.
Führen wir ein Experiment durch 3. Entfernen wir die Magnetpfeile, schalten den elektrischen Strom ein und gießen vorsichtig kleine Eisenspäne über die gesamte Oberfläche des Kartons. Wir haben ein Bild der magnetischen Kraftlinien erhalten, das als "Kreisstrom-Magnetfeldspektrum" bezeichnet wird ". Wie kann man in diesem Fall die Richtung magnetischer Feldlinien bestimmen? Auch hier wenden wir die Gimlet-Regel an, aber wie auf Kreisstrom angewendet. Wenn die Drehrichtung des Griffs des Bohrers mit der Stromrichtung im Rundleiter fluchtet, dann fällt die Richtung der Translationsbewegung des Bohrers mit der Richtung der magnetischen Feldlinien zusammen.
Betrachten wir mehrere Fälle.
1. Die Spulenebene liegt in der Blechebene, der Strom durch die Spule fließt im Uhrzeigersinn. Indem wir die Spule im Uhrzeigersinn drehen, stellen wir fest, dass die magnetischen Kraftlinien in der Mitte der Spule innerhalb der Spule „von uns weg“ gerichtet sind. Dies wird herkömmlicherweise durch ein "+" (Plus)-Zeichen angezeigt. Jene. In der Mitte der Spule setzen wir "+"
2. Die Spulenebene liegt in der Blechebene, der Strom durch die Spule fließt entgegen dem Uhrzeigersinn. Indem wir die Spule gegen den Uhrzeigersinn drehen, stellen wir fest, dass die magnetischen Kraftlinien aus der Mitte der Spule „auf uns zu“ kommen. Dies wird herkömmlicherweise mit "∙" (Punkt) bezeichnet. Jene. In der Mitte der Spule müssen wir einen Punkt ("∙") setzen.
Wenn ein gerader Leiter um einen Zylinder gewickelt wird, wird eine Spule mit Strom oder ein Solenoid erhalten.
Machen wir ein Experiment (4.) Wir verwenden für das Experiment die gleiche Schaltung, nur dass der Draht nun in Form einer Spule durch Pappe geführt wird. Lassen Sie uns mehrere freie Magnetpfeile an verschiedenen Stellen auf der Ebene des Kartons platzieren: an beiden Enden der Spule, innerhalb der Spule und auf beiden Seiten außerhalb. Lassen Sie die Spule horizontal (von links nach rechts) platziert werden. Schalten Sie den Stromkreis ein und stellen Sie fest, dass die Magnetnadeln, die sich entlang der Spulenachse befinden, eine Richtung zeigen. Wir stellen fest, dass am rechten Ende der Spule der Pfeil anzeigt, dass die Kraftlinien in die Spule eintreten, was bedeutet, dass dies der „Südpol“ (S) ist, und am linken Ende die Magnetnadel anzeigt, dass sie austreten , das ist der „Nordpol“ (N). Außerhalb der Spule haben die Magnetnadeln die entgegengesetzte Richtung im Vergleich zur Richtung innerhalb der Spule.
Führen wir Experiment (5) durch. Ändern Sie im selben Stromkreis die Richtung des Stroms. Wir stellen fest, dass sich die Richtung aller Magnetpfeile geändert hat, sie haben sich um 180 Grad gedreht. Wir schließen daraus: Die Richtung der Magnetfeldlinien hängt von der Richtung des Stroms durch die Windungen der Spule ab.
Führen wir Experiment (6) durch. Entfernen Sie die magnetischen Pfeile und schalten Sie den Stromkreis ein. Den Karton innerhalb und außerhalb der Rolle vorsichtig mit Eisenspänen „salzen“. Wir erhalten ein Bild von Magnetfeldlinien, das als "Spektrum des Magnetfelds einer Spule mit Strom" bezeichnet wird.
Aber wie bestimmt man die Richtung magnetischer Feldlinien? Die Richtung der magnetischen Feldlinien wird nach der Gimlet-Regel wie bei einer Spule mit Strom bestimmt: Wenn die Drehrichtung des Gimlet-Griffs mit der Richtung des Stroms in den Spulen übereinstimmt, dann ist die Richtung von Die Translationsbewegung fällt mit der Richtung der Magnetfeldlinien im Solenoid zusammen. Das Magnetfeld eines Elektromagneten ähnelt dem eines Dauermagneten. Das Ende der Spule, aus dem die Kraftlinien austreten, ist der „Nordpol“ (N), und dasjenige, in das die Kraftlinien eintreten, ist der „Südpol“ (S).
Nach der Entdeckung von Hans Oersted begannen viele Wissenschaftler, seine Experimente zu wiederholen und neue zu erfinden, um Beweise für die Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus zu finden. Der französische Wissenschaftler Dominique Arago steckte einen Eisenstab in ein Glasrohr und wickelte einen Kupferdraht darüber, durch den er elektrischen Strom leitete. Sobald Arago den Stromkreis schloss, wurde der Eisenstab so stark magnetisiert, dass er die Eisenschlüssel an sich zog. Es hat viel Mühe gekostet, die Schlüssel abzubekommen. Als Arago die Stromquelle abschaltete, fielen die Schlüssel von selbst ab! Also erfand Arago den ersten Elektromagneten. Moderne Elektromagnete bestehen aus drei Teilen: Wicklung, Kern und Anker. Die Drähte werden in eine spezielle Ummantelung gelegt, die die Rolle eines Isolators spielt. Eine mehrschichtige Spule wird mit einem Draht gewickelt - die Wicklung eines Elektromagneten. Als Kern wird ein Stahlstab verwendet. Die Platte, die vom Kern angezogen wird, wird Anker genannt. Elektromagnete sind aufgrund ihrer Eigenschaften in der Industrie weit verbreitet: Sie entmagnetisieren schnell, wenn der Strom abgeschaltet wird; Sie können je nach Zweck in verschiedenen Größen hergestellt werden. Durch Variieren des Stroms kann die magnetische Wirkung des Elektromagneten gesteuert werden. Elektromagnete werden in Fabriken verwendet, um Stahl- und Gusseisenprodukte zu transportieren. Diese Magnete haben eine große Hebekraft. Elektromagnete werden auch in elektrischen Klingeln, elektromagnetischen Separatoren, Mikrofonen und Telefonen verwendet. Heute haben wir das Magnetfeld von Kreisstrom untersucht, Spulen mit Strom. Wir haben Elektromagnete, ihre Anwendung in der Industrie und in der Volkswirtschaft kennengelernt.