Induktiivpoolid ja magnetväljad. Magnetväli lühikese pooli teljel vooluga Kuidas leida pooli magnetvälja

Magnetvälja kontsentreerimiseks teatud ruumiosasse valmistatakse juhtmest mähis, mille kaudu juhitakse voolu.

Välja magnetilise induktsiooni suurendamine saavutatakse pooli keerdude arvu suurendamise ja selle asetamisega terassüdamikule, mille molekulaarvoolud, luues oma välja, suurendavad tekkivat pooli välja.

Riis. 3-11. Rõnga mähis.

Rõngakujulisel mähisel (joonis 3-11) on piki mittemagnetilist südamikku ühtlaselt jaotatud w pööret. Pinda, mis on piiratud raadiusega, mis langeb kokku keskmise magnetjoonega, läbistab koguvool.

Sümmeetria tõttu on väljatugevus H kõigis keskmisel magnetjoonel asuvates punktides sama, mistõttu m.f.

Täisvoolu seaduse järgi

kust magnetvälja tugevus keskmisel magnetjoonel ühtib rõngakujulise pooli aksiaaljoonega,

ja magnetinduktsioon

Kui piisava täpsusega telgjoone magnetilist induktsiooni võib pidada võrdseks selle keskmise väärtusega ja sellest tulenevalt ka pooli ristlõike läbiva magnetvooga

Võrrandile (3-20) võib anda magnetahela Ohmi seaduse kuju

kus Ф - magnetvoog; - m.d.s.; - magnetahela (südamiku) takistus.

Võrrand (3-21) sarnaneb elektriahela Ohmi seaduse võrrandiga, st magnetvoog on võrdne ppm suhtega. ahela magnettakistusele.

Riis. 3-12. Silindriline mähis.

Silindrilist mähist (joon. 3-12) võib pidada osaks piisavalt suure raadiusega rõngakujulisest mähisest, mille mähis paikneb ainult südamiku osal, mille pikkus on võrdne pooli pikkusega. Väljatugevus ja magnetiline induktsioon aksiaaljoonel silindrilise pooli keskel määratakse valemitega (3-18) ja (3-19), mis antud juhul on ligikaudsed ja kehtivad ainult mähiste puhul, mille (joon. 3-) 12).

Elektromagnetism on nähtuste kogum, mis on põhjustatud elektrivoolude ja magnetväljade ühendusest. Mõnikord põhjustab see seos soovimatuid tagajärgi. Näiteks laeval elektrikaablite kaudu voolav vool põhjustab laeva kompassi tarbetut läbipainde. Elektrit kasutatakse aga sageli teadlikult suure intensiivsusega magnetväljade tekitamiseks. Näiteks on elektromagnetid. Me räägime neist täna.

ja magnetvoog

Magnetvälja intensiivsust saab määrata magnetvoo joonte arvuga pindalaühiku kohta. tekib kõikjal, kus voolab elektrivool, ja õhu magnetvoog on sellega võrdeline. Voolu kandva sirge traadi saab painutada mähisesse. Piisavalt väikese pooli raadiuse korral põhjustab see magnetvoo suurenemist. Sel juhul voolutugevus ei suurene.

Magnetvoo kontsentratsiooni mõju saab veelgi suurendada, suurendades pöörete arvu, st keerates traati mähisesse. Tõsi on ka vastupidine. Vooluga pooli magnetvälja saab nõrgendada keerdude arvu vähendamisega.

Me tuletame olulise seose. Maksimaalse magnetvoo tiheduse punktis (pindalaühiku kohta on kõige rohkem voojooni) väljendatakse elektrivoolu I, traadi keerdude arvu n ja magnetvoo B vahelist seost järgmiselt: In on võrdeline V-ga. 12 A vool, mis voolab läbi 3 pöörde pikkuse mähise, loob täpselt samasuguse magnetvälja kui 3 A vool, mis voolab läbi 12 pöörde pikkuse mähise. Praktiliste probleemide lahendamisel on seda oluline teada.

Solenoid

Mähitud traadi mähist, mis tekitab magnetvälja, nimetatakse solenoidiks. Juhtmeid saab kerida rauale (raudsüdamik). Töötab ka mittemagnetiline alus (näiteks õhusüdamik). Nagu näete, ei saa voolupooli jaoks magnetvälja loomiseks kasutada mitte ainult rauda. Voo poolest on mis tahes mittemagnetiline südamik samaväärne õhuga. See tähendab, et ülaltoodud seos, mis seob voolu, pöörete arvu ja voogu, on antud juhul üsna täpselt täidetud. Seega võib selle mustri rakendamisel nõrgendada vooluga pooli magnetvälja.

Raua kasutamine solenoidis

Miks kasutatakse solenoidis rauda? Selle olemasolu mõjutab vooluga mähise magnetvälja kahel viisil. See suurendab voolu, sageli tuhandeid kordi või rohkem. Sel juhul võib aga rikutud olla üks oluline proportsionaalne suhe. Me räägime sellest, mis eksisteerib magnetvoo ja voolu vahel õhk-südamiku poolides.

Rauas on mikroskoopilised alad, domeenid (täpsemalt vooluga tekitatava magnetvälja toimel) ehitatud ühes suunas. Selle tulemusena tekitab see vool raudsüdamiku juuresolekul suurema magnetvoo ühiku kohta traadi lõik.Seega suureneb voo tihedus oluliselt Kui kõik domeenid reastuvad samas suunas, siis voolu edasine suurenemine (või keerdude arvu mähises) suurendab magnetvoo tihedust vaid veidi.

Räägime nüüd veidi induktsioonist. See on meie teema oluline osa.

Mähise magnetvälja induktsioon vooluga

Kuigi raudsüdamiku solenoidi magnetväli on palju tugevam kui õhusüdamiku solenoidil, piiravad selle suurust raua omadused. Õhk-südamiku pooli poolt tekitatava suurus on teoreetiliselt piiramatu. Kuid reeglina on väga raske ja kulukas saada tohutuid voolusid, mis on vajalikud raudsüdamikuga solenoidi omaga võrreldava välja loomiseks. Alati ei pea seda teed minema.

Mis juhtub, kui muudate voolu juhtiva pooli magnetvälja? See tegevus võib tekitada elektrivoolu samamoodi nagu vool tekitab magnetvälja. Kui magnet läheneb juhile, indutseerivad juhti ristuvad magnetilised jõujooned selles pinge. Indutseeritud pinge polaarsus sõltub magnetvoo muutumise polaarsusest ja suunast. See efekt on mähises palju tugevam kui ühe pöörde korral: see on võrdeline keerdude arvuga mähises. Raudsüdamiku juuresolekul indutseeritud pinge solenoidis suureneb. Selle meetodi puhul on vajalik juhi liikumine magnetvoo suhtes. Kui juht ei ületa magnetvoo jooni, siis pinget ei teki.

Kuidas saate energiat

Elektrigeneraatorid toodavad voolu samadel põhimõtetel. Tavaliselt pöörleb magnet mähiste vahel. Indutseeritud pinge suurus sõltub magnetvälja suurusest ja selle pöörlemiskiirusest (need määravad magnetvoo muutumise kiiruse). Pinge juhis on otseselt võrdeline selles oleva magnetvoo kiirusega.

Paljudes generaatorites on magnet asendatud solenoidiga. Vooluga mähise magnetvälja tekitamiseks ühendatakse solenoid Mis on sel juhul generaatori poolt genereeritav elektrienergia? See on võrdne pinge ja voolu korrutisega. Teisest küljest võimaldab suhe juhi voolu ja magnetvoo vahel kasutada mehaanilise liikumise saamiseks magnetväljas elektrivoolu tekitatud voogu. Sellel põhimõttel töötavad elektrimootorid ja mõned elektrilised mõõteriistad. Nendes liikumise tekitamiseks on aga vaja kulutada täiendavat elektrienergiat.

Tugevad magnetväljad

Praegu on selle abil võimalik saavutada vooluga mähise magnetvälja enneolematu intensiivsus. Elektromagnetid võivad olla väga võimsad. Sel juhul voolab vool ilma kadudeta, st ei põhjusta materjali kuumenemist. See võimaldab õhusüdamiku solenoididele rakendada kõrgeid pingeid ja väldib küllastusefektist tulenevaid piiranguid. Selline võimas vooluga pooli magnetväli avab väga suured väljavaated. Elektromagnetid ja nende rakendused ei paku paljudele teadlastele asjata huvi. Tugevate väljade abil saab ju magnetilisel "padjal" liikuda ning uut tüüpi elektrimootoreid ja generaatoreid luua. Nad on võimelised madalate kuludega suure võimsusega.

Inimkond kasutab aktiivselt vooluga mähise magnetvälja energiat. Seda on laialdaselt kasutatud juba aastaid, eriti raudteedel. Räägime nüüd sellest, kuidas kasutatakse vooluga mähise välja magnetjooni rongide liikumise reguleerimiseks.

Raudtee magnetid

Raudtee kasutab tavaliselt süsteeme, milles suurema ohutuse tagamiseks täiendavad elektromagnetid ja püsimagnetid üksteist. Kuidas need süsteemid töötavad? Tugev on kinnitatud rööpa lähedale teatud kaugusel valgusfooridest. Rongi läbimisel magnetist pöörleb juhikabiinis oleva püsimagneti telg väikese nurga all, misjärel magnet jääb uude asendisse.

Raudtee liikluskorraldus

Lamemagneti liikumine aktiveerib häirekella või sireeni. Siis juhtub järgmine. Paari sekundi pärast läheb juhikabiin üle elektromagneti, mis on fooriga ühendatud. Kui ta annab rongile rohelise tule, siis lülitatakse elektromagnet pingesse ja püsimagneti telg vagunis pöördub oma algasendisse, lülitades kabiinis signaali välja. Kui fooris põleb punane või kollane tuli, lülitatakse elektromagnet välja ja teatud viivituse järel lülitub pidur automaatselt sisse, välja arvatud juhul, kui juht seda teha unustas. Pidurikontuur (nagu ka helisignaal) ühendatakse võrku magnettelje pööramise hetkest. Kui magnet naaseb viivituse ajal algasendisse, siis pidurit ei rakendata.

Loob enda ümber magnetvälja. Inimene poleks tema ise, kui ta poleks taibanud, kuidas hoovuse nii imelist omadust kasutada. Selle nähtuse põhjal lõi inimene elektromagnetid.

Nende kasutusala on tänapäeva maailmas väga lai ja laialt levinud. Elektromagnetid on tähelepanuväärsed selle poolest, et erinevalt püsimagnetitest saab neid vastavalt vajadusele sisse ja välja lülitada ning neid ümbritseva magnetvälja tugevust muuta. Kuidas kasutatakse voolu magnetilisi omadusi? Kuidas elektromagneteid valmistatakse ja kasutatakse?

Vooluga pooli magnetväli

Katsete tulemusena suudeti välja selgitada, et vooluga juhi ümber olevat magnetvälja saab tugevdada, kui juhe spiraalina kokku keerata. Selgub, mingi mähis. Sellise mähise magnetväli on palju suurem kui ühe juhi magnetväli.

Veelgi enam, pooli magnetvälja jõujooned vooluga on paigutatud sarnaselt tavapärase ristkülikukujulise magneti jõujoontega. Mähisel on kaks poolust ja lahknevate magnetjoonte kaared piki mähist. Sellist magnetit saab igal ajal vastavalt sisse ja välja lülitada, keerates voolu mähise juhtmetes sisse ja välja.

Pooli magnetjõudude mõjutamise viisid

Selgus aga, et praegusel mähisel on muidki tähelepanuväärseid omadusi. Mida rohkem keerdudest mähis koosneb, seda tugevamaks muutub magnetväli. See võimaldab koguda erineva tugevusega magneteid. Magnetvälja suuruse mõjutamiseks on aga lihtsamaid viise.

Niisiis, kui mähise juhtmete voolutugevus suureneb, suureneb magnetvälja tugevus ja vastupidi, voolutugevuse vähenemisega magnetväli nõrgeneb. See tähendab, et reostaadi elementaarse ühendusega saame reguleeritava magneti.

Voolu juhtiva pooli magnetvälja saab oluliselt suurendada, kui sisestada pooli sisse raudvarras. Seda nimetatakse tuumaks. Südamiku kasutamine võimaldab luua väga võimsaid magneteid. Näiteks tootmises kasutatakse magneteid, mis suudavad tõsta ja hoida mitukümmend tonni raskust. See saavutatakse järgmisel viisil.

Südamik on painutatud kaare kujul ja selle kahele otsale pannakse kaks mähist, mille kaudu vool juhitakse. Mähised on ühendatud juhtmetega 4e nii, et nende poolused langevad kokku. Tuum võimendab nende magnetvälja. Altpoolt tuuakse selle konstruktsiooni külge konksuga plaat, millele riputatakse koorem. Sarnaseid seadmeid kasutatakse tehastes ja sadamates väga suure kaaluga koormate teisaldamiseks. Neid raskusi on lihtne ühendada ja lahti ühendada, kui voolu mähistes sisse ja välja lülitatakse.

Elektromagnetid ja nende rakendused

Elektromagneteid kasutatakse nii laialt, et võib-olla on raske nimetada elektromehaanilist seadet, milles neid ei kasutataks. Sissepääsude uksi hoiavad elektromagnetid.

Erinevate seadmete elektrimootorid muudavad elektrienergia elektromagnetite abil mehaaniliseks energiaks. Kõlarite heli tekitatakse magnetite abil. Ja see pole täielik nimekiri. Suur osa kaasaegse elu mugavustest võlgneb nende olemasolu elektromagnetide kasutamisele.

Kui sirge juht keerata ringiks, saab uurida ringvoolu magnetvälja.
Teeme katse (1). Viige traat ringi kujul läbi papi. Asetame kartongi pinnale erinevatesse kohtadesse mõned vabad magnetnooled. Lülitage vool sisse ja vaadake, et mähise keskel olevad magnetnooled näitavad sama suunda ja väljaspool pooli mõlemal pool teist suunda.
Nüüd kordame katset (2), muutes pooluseid ja seega ka voolu suunda. Näeme, et magnetnooled on kogu kartongi pinnal suunda muutnud 180 kraadi võrra.
Järeldame: ringikujulise voolu magnetjooned sõltuvad ka voolu suunast juhis.
Teeme katse 3. Eemaldame magnetnooled, lülitame sisse elektrivoolu ja valame ettevaatlikult kogu papi pinnale väikesed raudviilud. Saime pildile magnetilised jõujooned, mida nimetatakse "ringvoolu magnetvälja spektriks ". Kuidas sel juhul määrata magnetvälja joonte suunda? Jällegi rakendame rõngastiili reeglit, kuid seda kasutatakse ringvoolu korral. Kui gimleti käepideme pöörlemissuund on joondatud ümmarguse juhi voolu suunaga, siis kattub gimleti translatsioonilise liikumise suund magnetiliste jõujoonte suunaga.
Vaatleme mitut juhtumit.
1. Mähise tasapind asub lehe tasapinnal, mähist läbiv vool liigub päripäeva. Pooli päripäeva keerates teeme kindlaks, et pooli keskel asuvad magnetjõujooned on suunatud mähise sees “meist eemale”. Tavaliselt tähistatakse seda "+" (pluss) märgiga. Need. mähise keskele paneme "+"
2. Mähise tasapind asub lehe tasapinnal, mähist läbiv vool liigub vastupäeva. Pöörates mähist vastupäeva, teeme kindlaks, et magnetilised jõujooned väljuvad pooli keskpunktist "meie poole". Seda tähistatakse tavapäraselt "∙" (punkt). Need. mähise keskele peame panema punkti ("∙").
Kui silindri ümber kerida sirge juht, saadakse vooluga mähis ehk solenoid.
Teeme katse (4.) Kasutame katseks sama vooluringi, ainult juhe juhitakse nüüd mähisena läbi papist. Asetame mitu vaba magnetnoolt kartongi tasapinnale erinevatesse kohtadesse: mähise mõlemasse otsa, mähise sisse ja mõlemale poole väljapoole. Laske mähis asetada horisontaalselt (suunas vasakult paremale). Lülitage vooluahel sisse ja leidke, et mööda pooli telge asuvad magnetnõelad näitavad ühte suunda. Märgime, et mähise paremas otsas näitab nool, et jõujooned sisenevad mähisesse, mis tähendab, et see on "lõunapoolus" (S) ja vasakpoolses otsas näitab magnetnõel, et nad lahkuvad. , see on "põhjapoolus" (N). Väljaspool pooli on magnetnõelad vastupidise suunaga võrreldes pooli sees oleva suunaga.
Teeme katse (5). Samas vooluringis muutke voolu suunda. Leiame, et kõigi magnetnoolte suund on muutunud, need on pöördunud 180 kraadi. Me järeldame: magnetvälja joonte suund sõltub pooli pöördeid läbiva voolu suunast.
Teeme katse (6). Eemaldage magnetnooled ja lülitage vooluahel sisse. Soola papp rulli sees ja väljas ettevaatlikult rauaviilidega. Saame pildi magnetvälja joontest, mida nimetatakse "vooluga pooli magnetvälja spektriks"
Kuidas aga määrata magnetvälja jõujoonte suunda? Magnetvälja joonte suund määratakse kardaani reegli järgi samamoodi nagu vooluga mähise puhul: Kui kardaani käepideme pöörlemissuund on joondatud mähistes oleva voolu suunaga, siis translatsiooniline liikumine langeb kokku solenoidi sees olevate magnetvälja joonte suunaga. Solenoidi magnetväli on sarnane püsivarrasmagneti omaga. Pooli ots, millest jõujooned väljuvad, on "põhjapoolus" (N) ja see, millesse jõujooned sisenevad, on "lõunapoolus" (S).
Pärast Hans Oerstedi avastamist hakkasid paljud teadlased tema katseid kordama, leiutades uusi, et leida tõendeid elektri ja magnetismi vahelise seose kohta. Prantsuse teadlane Dominique Arago asetas raudvarda klaastorusse ja keris selle peale vasktraadi, mille kaudu juhtis elektrivoolu. Niipea, kui Arago elektriahela sulges, magnetiseerus raudvarras nii tugevalt, et tõmbas raudvõtmed enda poole. Võtmete kättesaamine võttis palju vaeva. Kui Arago toiteallika välja lülitas, kukkusid klahvid ise ära! Nii leiutas Arago esimese elektromagneti. Kaasaegsed elektromagnetid koosnevad kolmest osast: mähis, südamik ja armatuur. Juhtmed asetatakse spetsiaalsesse kesta, mis täidab isolaatori rolli. Mitmekihiline mähis on keritud traadiga - elektromagneti mähisega. Südamikuna kasutatakse terasvarda. Plaati, mis tõmbub südamiku poole, nimetatakse ankruks. Elektromagneteid kasutatakse tööstuses laialdaselt nende omaduste tõttu: voolu väljalülitamisel demagnetiseeruvad nad kiiresti; olenevalt eesmärgist saab neid valmistada erinevates suurustes; Voolu muutmisega saab kontrollida elektromagneti magnetilist toimet. Elektromagneteid kasutatakse tehastes teras- ja malmtoodete vedamiseks. Nendel magnetitel on suur tõstejõud. Elektromagneteid kasutatakse ka elektrikellades, elektromagnetseparaatorites, mikrofonides, telefonides. Täna uurisime ringvoolu magnetvälja, pooli vooluga. Tutvusime elektromagnetitega, nende kasutamisega tööstuses ja rahvamajanduses.