Induktorok és mágneses mezők. Mágneses tér rövid tekercs tengelyén árammal Hogyan találjuk meg a tekercs mágneses terét

A mágneses mező koncentrálására a tér bizonyos részében egy tekercset készítenek egy huzalból, amelyen áramot vezetnek át.

A mező mágneses indukciójának növelése a tekercs fordulatszámának növelésével és acél magra helyezésével érhető el, amelynek molekuláris áramai saját mezőt létrehozva növelik a tekercs keletkező mezőjét.

Rizs. 3-11. Gyűrűs tekercs.

A gyűrű alakú tekercs (3-11. ábra) w menete egyenletesen oszlik el a nem mágneses mag mentén. Az átlagos mágneses vonallal egybeeső sugarú kör által határolt felületet teljes áram szúrja át.

A szimmetria miatt a H térerő a középső mágneses vonalon fekvő minden pontban azonos, ezért m.f.

Az összáram törvénye szerint

ahonnan a mágneses térerősség a középső mágneses vonalon egybeesik a gyűrűs tekercs tengelyirányú vonalával,

és a mágneses indukció

Amikor a mágneses indukció az axiális vonalon kellő pontossággal egyenlőnek tekinthető annak átlagos értékével, és ennek következtében a tekercs keresztmetszetén átmenő mágneses fluxussal

A (3-20) egyenlet megadható az Ohm-törvény alakjában egy mágneses áramkörre

ahol Ф - mágneses fluxus; - m.d.s.; - a mágneses áramkör (mag) ellenállása.

A (3-21) egyenlet hasonló az Ohm-törvény egyenletéhez egy elektromos áramkörre, azaz a mágneses fluxus egyenlő a ppm arányával. az áramkör mágneses ellenállásához.

Rizs. 3-12. Hengeres tekercs.

A hengeres tekercs (3-12. ábra) egy kellően nagy sugarú, csak a mag egy részén elhelyezkedő tekercsű gyűrűs tekercs részének tekinthető, amelynek hossza megegyezik a tekercs hosszával. A térerősséget és a mágneses indukciót az axiális vonalon a hengeres tekercs közepén a (3-18) és (3-19) képlet határozza meg, amelyek ebben az esetben hozzávetőlegesek és csak a (3. ábra) 12).

Az elektromágnesesség olyan jelenségek összessége, amelyeket elektromos áramok és mágneses mezők összekapcsolódása okoz. Néha ez a kapcsolat nemkívánatos hatásokhoz vezet. Például a hajón az elektromos kábeleken átfolyó áram a hajó iránytűjének szükségtelen elhajlását okozza. Az elektromosságot azonban gyakran szándékosan nagy intenzitású mágneses mezők létrehozására használják. Ilyen például az elektromágnesek. Ma róluk fogunk beszélni.

és mágneses fluxus

A mágneses tér intenzitása az egységnyi területen lévő mágneses fluxusvonalak számával határozható meg. mindenhol előfordul, ahol elektromos áram folyik, és a levegőben lévő mágneses fluxus arányos ez utóbbival. Az áramot vezető egyenes vezetéket tekercsbe lehet hajlítani. Megfelelően kis tekercssugár esetén ez a mágneses fluxus növekedéséhez vezet. Ebben az esetben az áramerősség nem növekszik.

A mágneses fluxus koncentrációjának hatása tovább fokozható a menetszám növelésével, azaz a vezeték tekercsbe csavarásával. Ennek a fordítottja is igaz. Az árammal rendelkező tekercs mágneses tere a fordulatok számának csökkentésével gyengíthető.

Levezetünk egy fontos összefüggést. A maximális mágneses fluxussűrűség pontján (területegységenként a legtöbb fluxusvonal van) az I elektromos áram, az n huzal fordulatszáma és a B mágneses fluxus közötti összefüggés a következőképpen fejeződik ki: In arányos V-vel. Egy 3 menetes tekercsen átfolyó 12 A-es áram pontosan ugyanolyan mágneses teret hoz létre, mint a 12 menetes tekercsen átfolyó 3 A-es áram. Ezt fontos tudni a gyakorlati feladatok megoldásánál.

Szolenoid

A mágneses teret létrehozó, tekercselt huzal tekercset mágnestekercsnek nevezzük. A vezetékek vasra tekerhetők (vasmag). Nem mágneses alap (például levegőmag) is működik. Mint látható, nem csak a vas használható mágneses mező létrehozására az áramtekercs számára. Fluxus szempontjából minden nem mágneses mag egyenértékű a levegővel. Vagyis a fenti összefüggés, amely az áramot, a fordulatszámot és a fluxust összekapcsolja, ebben az esetben elég pontosan teljesül. Így az árammal rendelkező tekercs mágneses tere gyengülhet, ha ezt a mintát alkalmazzuk.

A vas használata a mágnesszelepben

Miért használnak vasat a mágnesszelepben? Jelenléte kétféleképpen hat az árammal a tekercs mágneses terére. Növeli az áramerősséget, gyakran több ezerszeresére vagy még többre. Ebben az esetben azonban egy fontos arányos viszony sérülhet. Arról beszélünk, amely a mágneses fluxus és az áram között van a levegőmagos tekercsekben.

A vasban mikroszkopikus területek, domének (pontosabban áram által létrehozott mágneses tér hatására, egy irányban épülnek fel. Ennek eredményeként vasmag jelenlétében ez az áram egységenként nagyobb mágneses fluxust hoz létre A huzalszakaszban.Így a fluxussűrűség jelentősen megnő.Ha minden tartomány egy irányba sorakozik, az áram további növekedése (vagy a tekercs menetszáma) csak kis mértékben növeli a mágneses fluxus sűrűségét.

Most beszéljünk egy kicsit az indukcióról. Ez témánk fontos része.

A tekercs mágneses terének indukciója árammal

Bár a vasmagos szolenoid mágneses tere sokkal erősebb, mint a légmagos szolenoidé, nagyságát a vas tulajdonságai korlátozzák. A légmagos tekercs által létrehozott mérete elméletileg korlátlan. Általában azonban nagyon nehéz és költséges megszerezni azokat a hatalmas áramokat, amelyek ahhoz szükségesek, hogy egy vasmagos szolenoidhoz hasonló nagyságú mezőt hozzanak létre. Nem kell mindig ezt az utat járni.

Mi történik, ha megváltoztatjuk egy áramvezető tekercs mágneses terét? Ez a művelet ugyanúgy generálhat elektromos áramot, ahogyan az áram mágneses teret hoz létre. Amikor egy mágnes megközelíti a vezetőt, a vezetőt keresztező mágneses erővonalak feszültséget indukálnak benne. Az indukált feszültség polaritása a mágneses fluxus változásának polaritásától és irányától függ. Ez a hatás sokkal erősebb a tekercsben, mint egyetlen menetben: arányos a tekercs meneteinek számával. Vasmag jelenlétében a mágnesszelep indukált feszültsége megnő. Ennél a módszernél a vezető mozgása a mágneses fluxushoz képest szükséges. Ha a vezető nem keresztezi a mágneses fluxus vonalait, nem lép fel feszültség.

Hogyan szerzel energiát

Az elektromos generátorok ugyanazon elvek alapján állítják elő az áramot. Általában a mágnes a tekercsek között forog. Az indukált feszültség nagysága a mágneses tér nagyságától és forgási sebességétől függ (ezek határozzák meg a mágneses fluxus változási sebességét). A vezető feszültsége egyenesen arányos a benne lévő mágneses fluxus sebességével.

Sok generátorban a mágnest mágnesszelepre cserélték. Annak érdekében, hogy a tekercsben árammal mágneses teret hozzon létre, a mágnesszelepet csatlakoztatni kell Mekkora lesz ebben az esetben a generátor által termelt elektromos teljesítmény? Ez egyenlő a feszültség és az áram szorzatával. Másrészt a vezetőben lévő áram és a mágneses fluxus közötti kapcsolat lehetővé teszi, hogy a mágneses térben elektromos áram által generált fluxust mechanikai mozgás eléréséhez használjuk fel. Az elektromos motorok és néhány elektromos mérőműszer ezen az elven működik. Ahhoz azonban, hogy mozgást hozzanak létre bennük, további elektromos energiát kell felhasználni.

Erős mágneses mezők

Jelenleg ennek használatával lehetséges egy tekercs mágneses mezőjének soha nem látott intenzitása árammal. Az elektromágnesek nagyon erősek lehetnek. Ebben az esetben az áram veszteség nélkül folyik, azaz nem okozza az anyag felmelegedését. Ez lehetővé teszi nagy feszültségek alkalmazását a levegőmagos mágnesszelepekre, és elkerülhető a telítési hatás miatti korlátozás. A tekercs ilyen erős mágneses tere árammal nagyon nagy kilátásokat nyit meg. Az elektromágnesek és alkalmazásaik nem hiába érdekesek sok tudós számára. Hiszen az erős mezők segítségével mágneses "párnán" lehet mozogni, és új típusú villanymotorokat, generátorokat lehet létrehozni. Alacsony költség mellett nagy teljesítményre képesek.

Az emberiség aktívan használja az árammal rendelkező tekercs mágneses mezőjének energiáját. Évek óta széles körben használják, különösen a vasúton. Most arról fogunk beszélni, hogy egy tekercs árammal rendelkező mezőjének mágneses vonalait hogyan használják a vonatok mozgásának szabályozására.

Vasúti mágnesek

A vasutak általában olyan rendszereket használnak, amelyekben a nagyobb biztonság érdekében az elektromágnesek és az állandó mágnesek kiegészítik egymást. Hogyan működnek ezek a rendszerek? Egy erős a sínhez van rögzítve, bizonyos távolságra a közlekedési lámpáktól. A vonatnak a mágnesen való áthaladása során a vezetőfülkében lévő állandó lapos mágnes tengelye kis szögben elfordul, majd a mágnes az új pozícióban marad.

Vasúti forgalomirányítás

A lapos mágnes mozgása riasztócsengőt vagy szirénát aktivál. Ezután a következő történik. Néhány másodperc múlva a vezetőfülke áthalad az elektromágnesen, amely a közlekedési lámpához van csatlakoztatva. Ha zöld utat ad a vonatnak, akkor az elektromágnes feszültség alá kerül, és az állandó mágnes tengelye a kocsiban az eredeti helyzetébe fordul, kikapcsolva a jelzést a fülkében. Amikor a lámpánál világít a piros vagy sárga lámpa, az elektromágnes kikapcsol, majd bizonyos késleltetés után automatikusan bekapcsol a fék, kivéve persze, ha a sofőr ezt elfelejtette megtenni. A fékáramkör (valamint a hangjelzés) a mágnes tengelyének elfordításától kezdve csatlakozik a hálózathoz. Ha a mágnes a késleltetés alatt visszatér eredeti helyzetébe, a fék nem működik.

Mágneses teret hoz létre maga körül. Az ember nem lenne önmaga, ha nem jött volna rá, hogyan használhatja fel az áramlat ilyen csodálatos tulajdonságát. E jelenség alapján az ember elektromágneseket hozott létre.

Alkalmazásuk nagyon széles és mindenütt jelen van a modern világban. Az elektromágnesek abból a szempontból figyelemre méltóak, hogy az állandó mágnesekkel ellentétben szükség szerint be- és kikapcsolhatók, illetve a körülöttük lévő mágneses tér erőssége változtatható. Hogyan használják fel az áram mágneses tulajdonságait? Hogyan készülnek és használják az elektromágneseket?

Egy tekercs mágneses tere árammal

Kísérletek eredményeként kiderült, hogy a vezeték körül árammal megerősíthető a mágneses tér, ha a vezetéket spirál formájában feltekerjük. Kiderül, hogy egyfajta tekercs. Egy ilyen tekercs mágneses tere sokkal nagyobb, mint egyetlen vezető mágneses tere.

Ezen túlmenően a tekercs mágneses mezőjének erővonalai az árammal hasonló módon vannak elrendezve, mint a hagyományos négyszögletes mágnesek erővonalai. A tekercsnek két pólusa van, és a tekercs mentén egymástól eltérő mágneses vonalak ívei. Egy ilyen mágnes bármikor be- és kikapcsolható, a tekercsvezetékekben lévő áram be- és kikapcsolásával.

A tekercs mágneses erőinek befolyásolásának módjai

Kiderült azonban, hogy a jelenlegi tekercsnek más figyelemre méltó tulajdonságai is vannak. Minél több fordulatból áll a tekercs, annál erősebb lesz a mágneses tér. Ez lehetővé teszi különböző erősségű mágnesek összegyűjtését. Vannak azonban egyszerűbb módszerek is a mágneses tér nagyságának befolyásolására.

Tehát a tekercs vezetékeiben az áramerősség növekedésével a mágneses mező ereje növekszik, és fordítva, az áramerősség csökkenésével a mágneses mező gyengül. Vagyis egy reosztát elemi bekötésével állítható mágnest kapunk.

Az áramvezető tekercs mágneses tere nagymértékben növelhető, ha a tekercs belsejébe vasrudat helyezünk. Magnak hívják. A mag használata nagyon erős mágnesek létrehozását teszi lehetővé. Például a gyártás során olyan mágneseket használnak, amelyek több tíz tonna súlyt képesek felemelni és megtartani. Ezt a következő módon érjük el.

A magot ív alakban meghajlítják, és két végére két tekercset helyeznek, amelyeken keresztül áram folyik. A tekercseket 4e vezetékek kötik össze úgy, hogy pólusaik egybeesjenek. A mag felerősíti a mágneses terüket. Alulról egy horoggal ellátott lemezt hoznak ehhez a szerkezethez, amelyen teher van felfüggesztve. Hasonló eszközöket használnak gyárakban és kikötőkben a nagyon nagy tömegű rakományok mozgatására. Ezek a súlyok könnyen csatlakoztathatók és leválaszthatók, amikor az áramot be- és kikapcsolják a tekercsekben.

Elektromágnesek és alkalmazásaik

Az elektromágneseket annyira mindenütt használják, hogy talán nehéz olyan elektromechanikus eszközt megnevezni, amelyben ne használnák őket. A bejárati ajtókat elektromágnesek tartják.

A különféle eszközök elektromos motorjai elektromágnesek segítségével alakítják át az elektromos energiát mechanikai energiává. A hangszórók hangja mágnesek segítségével jön létre. És ez nem egy teljes lista. A modern élet kényelmének nagy része az elektromágnesek használatának köszönhető.

Ha egy egyenes vezetőt körbe hajtunk, akkor a köráram mágneses tere vizsgálható.
Végezzük el a kísérletet (1). Vezesse át a vezetéket kör alakban a kartonon. Helyezzen néhány szabad mágneses nyilat a karton felületére különböző pontokon. Kapcsolja be az áramot, és ellenőrizze, hogy a mágneses nyilak a tekercs közepén ugyanazt az irányt mutatják, és a tekercsen kívül mindkét oldalon a másik irányba.
Most ismételjük meg a (2) kísérletet, megváltoztatva a pólusokat, és ezáltal az áram irányát. Látjuk, hogy a mágneses nyilak a karton teljes felületén 180 fokkal megváltoztatták az irányt.
Következtetés: a köráram mágneses vonalai a vezetőben lévő áram irányától is függenek.
Végezzünk el egy kísérletet 3. Távolítsuk el a mágneses nyilakat, kapcsoljuk be az elektromos áramot, és óvatosan öntsünk apró vasreszeléket a karton teljes felületére. Képet kaptunk mágneses erővonalakról, amelyeket "köráramú mágneses tér spektrumnak" nevezünk. ". Hogyan lehet ebben az esetben meghatározni a mágneses erővonalak irányát? Ismét alkalmazzuk a gimlet szabályt, de a köráramra alkalmazva. Ha a kardán fogantyújának forgásiránya egybeesik a kör alakú vezető áramának irányával, akkor a kardán transzlációs mozgásának iránya egybeesik a mágneses erővonalak irányával.
Nézzünk meg több esetet.
1. A tekercs síkja a lap síkjában fekszik, a tekercsen áthaladó áram az óramutató járásával megegyező irányba halad. A tekercset az óramutató járásával megegyező irányba forgatva megállapítjuk, hogy a tekercs közepén lévő mágneses erővonalak a tekercs belsejében „tőlünk távol” irányulnak. Ezt hagyományosan "+" (plusz) jel jelzi. Azok. a tekercs közepére "+"
2. A tekercs síkja a lap síkjában fekszik, a tekercsen áthaladó áram az óramutató járásával ellentétes irányba halad. A tekercset az óramutató járásával ellentétes irányba forgatva megállapítjuk, hogy a mágneses erővonalak a tekercs középpontjából "felénk" jönnek ki. Ezt hagyományosan "∙" (pont) jelöli. Azok. a tekercs közepén egy pontot ("∙") kell helyeznünk.
Ha egy henger köré egyenes vezetőt tekercselünk, akkor árammal ellátott tekercset vagy mágnesszelepet kapunk.
Végezzünk kísérletet (4.) A kísérlethez ugyanazt az áramkört használjuk, csak a vezetéket most tekercs formájában vezetjük át kartonon. Helyezzen több szabad mágneses nyilat a karton síkjára különböző pontokon: a tekercs mindkét végén, a tekercs belsejében és mindkét oldalon kívül. A tekercset vízszintesen helyezzük el (balról jobbra irány). Kapcsolja be az áramkört, és nézze meg, hogy a tekercs tengelye mentén elhelyezkedő mágneses tűk egy irányt mutatnak. Megjegyezzük, hogy a tekercs jobb végén a nyíl azt mutatja, hogy az erővonalak belépnek a tekercsbe, ami azt jelenti, hogy ez a „déli pólus” (S), a bal végén pedig a mágneses tű mutatja, hogy elhagyják , ez az „északi pólus” (N). A tekercsen kívül a mágnestűk ellenkező irányúak a tekercsen belüli irányhoz képest.
Végezzünk kísérletet (5). Ugyanabban az áramkörben változtassa meg az áram irányát. Azt tapasztaljuk, hogy az összes mágneses nyíl iránya megváltozott, 180 fokkal elfordultak. Következtetésünk: a mágneses erővonalak iránya a tekercs menetein áthaladó áram irányától függ.
Végezzünk kísérletet (6). Távolítsa el a mágneses nyilakat, és kapcsolja be az áramkört. Óvatosan „sózd meg vasreszelékkel” a kartont az orsón belül és kívül. Képet kapunk a mágneses erővonalakról, amelyeket "áramú tekercs mágneses mezőjének spektrumának" neveznek.
De hogyan lehet meghatározni a mágneses erővonalak irányát? A mágneses erővonalak irányát a kardánszabály szerint ugyanúgy határozzuk meg, mint az áramerősségű tekercsnél: Ha a kardán fogantyújának forgásiránya egybeesik a tekercsekben áramló áram irányával, akkor az A transzlációs mozgás egybeesik a szolenoidon belüli mágneses erővonalak irányával. A szolenoid mágneses tere hasonló az állandó rúd mágneséhez. A tekercs vége, amelyből az erővonalak kijönnek, az "északi pólus" (N), és az, amelybe az erővonalak belépnek, a "déli pólus" (S).
Hans Oersted felfedezése után sok tudós elkezdte megismételni kísérleteit, és újakat talált ki, hogy bizonyítékot találjon az elektromosság és a mágnesesség közötti kapcsolatra. Dominique Arago francia tudós egy vasrudat helyezett egy üvegcsőbe, és rátekerte a rézhuzalt, amelyen elektromos áramot vezetett át. Amint Arago lezárta az elektromos áramkört, a vasrúd olyan erősen mágnesezetté vált, hogy magához vonzotta a vaskulcsokat. Nagy erőfeszítésbe került a kulcsok levétele. Amikor Arago kikapcsolta az áramforrást, a billentyűk maguktól estek le! Így Arago feltalálta az első elektromágnest. A modern elektromágnesek három részből állnak: tekercsből, magból és armatúrából. A vezetékeket egy speciális burkolatba helyezik, amely szigetelő szerepét tölti be. A többrétegű tekercset egy huzallal - egy elektromágnes tekercsével - tekercseljük. Magként acélrudat használnak. A maghoz vonzó lemezt horgonynak nevezzük. Az elektromágneseket tulajdonságaik miatt széles körben használják az iparban: gyorsan demagnetizálódnak, ha az áramot lekapcsolják; a céltól függően többféle méretben készíthetők; Az áramerősség változtatásával az elektromágnes mágneses hatása szabályozható. Az elektromágneseket a gyárakban acél és öntöttvas termékek szállítására használják. Ezek a mágnesek nagy emelőerővel rendelkeznek. Az elektromágneseket elektromos harangokban, elektromágneses elválasztókban, mikrofonokban, telefonokban is használják. Ma a köráram mágneses terét vizsgáltuk, tekercsek árammal. Megismerkedtünk az elektromágnesekkel, ipari és nemzetgazdasági alkalmazásukkal.