Катушки индуктивности и магнитные поля. Магнитное поле на оси короткой катушки с током Как найти магнитное поле катушки

Для концентрации магнитного поля в определенной части пространства из провода изготовляют катушку, по которой пропускают ток.

Увеличение магнитной индукции поля достигается увеличением числа витков катушки и размещением ее на стальном сердечнике, молекулярные токи которого, создавая свое поле, увеличивают результирующее поле катушки.

Рис. 3-11. Кольцевая катушка.

Кольцевая катушка (рис. 3-11) имеет w витков, равномерно распределенных вдоль немагнитного сердечника. Поверхность, ограниченная окружностью радиуса совпадающей с средней магнитной линией, пронизывается полным током .

Вследствие симметрии напряженность поля Н во всех точках, лежащих на средней магнитной линии, одинакова, поэтому м. д. с.

По закону полного тока

откуда напряженность магнитного поля на средней магнитной линии, совпадающей с осевой линией кольцевой катушки,

а магнитная индукция

При магнитную индукцию на осевой линии с достаточной точностью можно считать равной среднему значению ее, и, следовательно, магнитный поток сквозь поперечное сечение катушки

Уравнению (3-20) можно придать форму закона Ома для магнитной цепи

где Ф - магнитный поток; - м. д. с.; - сопротивление магнитной цепи (сердечника).

Уравнение (3-21) аналогично уравнению закона Ома для электрической цепи, т. е. магнитный поток равен отношению м. д. с. к магнитному сопротивлению цепи.

Рис. 3-12. Цилиндрическая катушка.

Цилиндрическую катушку (рис. 3-12) можно рассматривать как часть кольцевой катушки с достаточно большим радиусом и с обмоткой, расположенной только на части сердечника, длина которой равна длине катушки . Напряженность поля и магнитную индукцию на осевой линии в центре цилиндрической катушки определяют по формулам (3-18) и (3-19), которые в этом случае являются приближенными и применимыми только для катушек, у которых (рис. 3-12).

Электромагнетизм - это совокупность явлений, обусловленных связью электрических токов и магнитных полей. Иногда эта связь приводит к нежелательным эффектам. К примеру, ток, протекающий по электрическим кабелям на корабле, вызывает ненужное отклонение судового компаса. Однако нередко электричество намеренно используется для создания магнитных полей большой интенсивности. В качестве примера можно привести электромагниты. О них мы сегодня и поговорим.

и магнитный поток

Интенсивность магнитного поля можно определить числом линий магнитного потока, которое приходится на единицу площади. возникает всюду, где протекает электрический ток, причем магнитный поток в воздухе пропорционален последнему. Прямой провод, несущий ток, можно согнуть в виток. При достаточно малом радиусе витка это приводит к возрастанию магнитного потока. При этом сила тока не увеличивается.

Эффект концентрации магнитного потока можно еще усилить, увеличивая количество витков, т. е. скручивая провод в катушку. Справедливо и обратное. Магнитное поле катушки с током можно ослабить, если уменьшить количество витков.

Выведем важное соотношение. В точке максимальной плотности магнитного потока (в ней на единицу площади приходится больше всего линий потока) соотношение между электрическим током I, числом витков провода n и магнитным потоком В выражается так: In пропорционально В. Ток в 12 А, текущий по катушке из 3 витков, создает точно такое же магнитное поле, как и ток в 3 А, текущий по катушке из 12 витков. Это важно знать, решая практические задачи.

Соленоид

Катушка из намотанного провода, создающая магнитное поле, называется соленоидом. Провода можно наматывать на железо (железный сердечник). Подойдет и немагнитная основа (например, воздушный сердечник). Как вы видите, можно использовать не только железо, чтобы создать магнитное поле катушки с током. С точки зрения величины потока любой немагнитный сердечник эквивалентен воздуху. То есть приведенное выше соотношение, связывающее ток, число витков и поток, в этом случае выполняется достаточно точно. Таким образом, магнитное поле катушки с током можно ослабить, если применить эту закономерность.

Использование железа в соленоиде

Для чего в соленоиде используется железо? Его наличие влияет на магнитное поле катушки с током в двух отношениях. Оно увеличивает тока, часто в тысячи раз и более. Однако при этом может нарушаться одна важная пропорциональная зависимость. Речь идет о той, которая существует между магнитным потоком и током в катушках с воздушным сердечником.

Микроскопические области в железе, домены (точнее, их при действии магнитного поля, которое создается током, строятся в одном направлении. В результате при наличии железного сердечника данный ток создает больший магнитный поток на единицу сечения провода. Таким образом, плотность потока существенно возрастает. Когда все домены выстраиваются в одном направлении, дальнейшее увеличение тока (или числа витков в катушке) лишь незначительно повышает плотность магнитного потока.

Расскажем теперь немного об индукции. Это важная часть интересующей нас темы.

Индукция магнитного поля катушки с током

Хотя магнитное поле соленоида с железным сердечником гораздо сильнее магнитного поля соленоида с воздушным сердечником, величина его ограничена свойствами железа. Размер того, которое создается катушкой с воздушным сердечником, теоретически не имеет предела. Однако, как правило, получать огромные токи, необходимые для создания поля, сравнимого по величине с полем соленоида с железным сердечником, очень трудно и дорого. Не всегда следует идти этим путем.

Что будет, если изменить магнитное поле катушки с током? Это действие может породить электрический ток точно так же, как ток создает магнитное поле. При приближении магнита к проводнику магнитные силовые линии, пересекающие проводник, индуцируют в нем напряжение. Полярность индуцированного напряжения зависит от полярности и направления изменения магнитного потока. Этот эффект значительно сильнее проявляется в катушке, чем в отдельном витке: он пропорционален числу витков в обмотке. При наличии железного сердечника индуцированное напряжение в соленоиде увеличивается. При таком способе необходимо движение проводника относительно магнитного потока. Если проводник не будет пересекать линии магнитного потока, напряжение не возникнет.

Как получают энергию

Электрические генераторы вырабатывают ток на основе тех же принципов. Обычно магнит вращается между катушками. Величина индуцированного напряжения зависит от величины поля магнита и скорости его вращения (они определяют скорость изменения магнитного потока). Напряжение в проводнике прямо пропорционально скорости магнитного потока в нем.

Во многих генераторах магнит заменен соленоидом. Для того чтобы создать магнитное поле катушки с током, соленоид подключают к Какой в этом случае будет электрическая мощность, вырабатываемая генератором? Она равна произведению напряжения на силу тока. С другой стороны, взаимосвязь тока в проводнике и магнитного потока позволяет использовать поток, создаваемый электрическим током в магнитном поле, для получения механического движения. По этому принципу работают электродвигатели и некоторые электроизмерительные приборы. Однако для создания движения в них необходимо затрачивать дополнительную электрическую мощность.

Сильные магнитные поля

В настоящее время, используя удается получать невиданной интенсивности магнитное поле катушки с током. Электромагниты могут быть очень мощными. При этом ток протекает без потерь, т. е. не вызывает нагрева материала. Это позволяет применять большое напряжение в соленоидах с воздушным сердечником и избежать ограничений, обусловленных эффектом насыщения. Очень большие перспективы открывает такое мощное магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение не зря интересуют множество ученых. Ведь сильные поля могут использоваться для движения на магнитной «подушке» и создания новых видов электродвигателей и генераторов. Они способны высокую мощность при малой стоимости.

Энергия магнитного поля катушки с током активно используется человечеством. Она уже долгие годы широко применяется, в частности на железных дорогах. О том, как используются магнитные линии поля катушки с током для регулирования движения поездов, мы сейчас и поговорим.

Магниты на железных дорогах

На железных дорогах обычно применяются системы, в которых в целях большей безопасности электромагниты и постоянные магниты дополняют друг друга. Как же действуют эти системы? Сильный прикрепляют вплотную к рельсу на определенном расстоянии от светофоров. Во время прохождения поезда над магнитом ось постоянного плоского магнита в кабине машиниста поворачивается на малый угол, после чего магнит остается в новом положении.

Регулирование движения на железной дороге

Движение плоского магнита включает сигнальный звонок или сирену. Далее происходит следующее. Через пару секунд кабина машиниста проходит над электромагнитом, который связан со светофором. Если тот дает поезду зеленую улицу, то электромагнит оказывается под напряжением и ось постоянного магнита в вагоне поворачивается в свое первоначальное положение, выключая сигнал в кабине. Когда же на светофоре горит красный или желтый свет, электромагнит бывает выключен, и тогда после некоторой задержки автоматически включается тормоз, если, конечно, это забыл сделать машинист. Тормозная цепь (как и звуковой сигнал) подключается к сети с момента поворота оси магнита. Если магнит во время задержки возвращается в первоначальное положение, то тормоз не включается.

Создает вокруг себя магнитное поле . Человек не был бы собой, если бы не придумал, как использовать такое замечательное свойство тока. На основе этого явления человек создал электромагниты.

Их применение очень широко и повсеместно в современном мире. Электромагниты замечательны тем, что в отличие от постоянных магнитов, их можно включать и выключать при необходимости, а также менять силу магнитного поля вокруг них. Каким образом используются магнитные свойства тока? Как создаются и используются электромагниты?

Магнитное поле катушки с током

В результате экспериментов удалось выяснить, что магнитное поле вокруг проводника с током можно усилить, если провод свернуть в форме спирали. Получается своего рода катушка. Магнитное поле такой катушки много больше магнитного поля одинокого проводника.

Причем силовые линии магнитного поля катушки с током располагаются схожим образом с силовыми линиями обычного прямоугольного магнита. Катушка имеет два полюса и дугами расходящиеся магнитные линии вдоль катушки. Такой магнит можно в любой момент включить и выключить, соответственно, включая и выключая ток в проводах катушки.

Способы влияния на магнитные силы катушки

Однако, оказалось, что катушка с током имеет и другие замечательные свойства. Чем из большего количества витков состоит катушка, тем сильнее становится магнитное поле. Это позволяет собирать магниты различной силы действия. Однако есть более простые способы воздействия на величину магнитного поля.

Так, при увеличении силы тока в проводах катушки возрастает сила магнитного поля, и, наоборот, при уменьшении силы тока, магнитное поле ослабевает. То есть, при элементарном подключении реостата, мы получаем регулируемый магнит.

Магнитное поле катушки с током можно значительно усилить, введя внутрь спирали железный стержень. Он называется сердечником. Применение сердечника позволяет создавать очень мощные магниты. Например, в производстве используют магниты, способные поднимать и удерживать несколько десятков тонн веса. Это достигается следующим образом.

Сердечник изгибают в виде дуги, а на два его конца надевают две катушки, по которым пускают ток. Катушки соединяют проводами 4е так, что их полюса совпадают. Сердечник усиливает их магнитное поле. Снизу к этой конструкции подводят пластину с крюком, на который подвешивают груз. Подобные устройства используют на заводах и в портах для того, чтобы перемещать грузы очень большого веса. Эти грузы легко подсоединяются и отсоединяются при включении и отключении тока в катушках.

Электромагниты и их применение

Электромагниты используют настолько повсеместно, что, пожалуй, трудно назвать электромеханический прибор, в котором бы они не применялись. Двери в подъездах удерживаются электромагнитами.

Электродвигатели самых различных устройств преобразуют электрическую энергию в механическую с помощью электромагнитов. Звук в колонках создается с помощью магнитов. И это далеко не полный список. Огромное количество удобств современной жизни обязано своим существованием применению электромагнитов.

Если прямой проводник свернуть в виде окружности, то можно исследовать магнитное поле кругового тока.
Проведем опыт (1). Провод в виде окружности пропустим через картон. Поместим несколько свободных магнитных стрелок на поверхности картона в различных точках. Включим ток и видим, что магнитные стрелочки в центре витка показывают направление одинаковое, а вне витка с обеих сторон в другую сторону.
Теперь повторим опыт (2), поменяв полюса, а значит и направление тока. Видим, что магнитные стрелочки изменили направление на всей поверхности картона на 180 градусов.
Сделаем вывод: магнитные линии кругового тока то же зависят от направления тока в проводнике.
Проведем опыт 3. Уберем магнитные стрелочки, включим электрический ток и осторожно по всей поверхности картона насыплем мелкие железные опилки У нас получилась картина магнитных силовых линий, которая называется «спектр магнитного поля кругового тока» . Как же в этом случае определить направление магнитных силовых линий? Вновь применим правило буравчика, но в применении к круговому току. Если направление вращения ручки буравчика совместить с направлением тока в круговом проводнике, то направление поступательного движения буравчика будет совпадать с направлением магнитных силовых линий.
Рассмотрим несколько случаев.
1. Плоскость витка лежит в плоскости листа, ток по витку идет по часовой стрелке. Вращая виток по часовой стрелке, мы определяем, что магнитные силовые линии в центре витка направлены внутрь витка «от нас». Это условно обозначается знаком «+» (плюс). Т.е. в центре витка мы ставим «+»
2. Плоскость витка лежит в плоскости листа, ток по витку идет против часовой стрелки. Вращая виток против часовой стрелки, мы определяем, что магнитные силовые линии выходят из цента витка «к нам». Это условно обозначается «∙» (точкой). Т.е. в центе витка мы должны поставить точку («∙»).
Если прямой проводник намотать на цилиндр, то получится катушка с током, или соленоид.
Проведем опыт (4.) Используем для опыта ту же цепь, только провод теперь пропущен через картон в виде катушки. Расположим несколько свободных магнитных стрелок на плоскости картона в различных точках: у обоих концов катушки, внутри катушки и с обеих сторон снаружи. Пусть катушка расположена горизонтально (в направлении «слева - направо»). Включим цепь и обнаружим, что магнитные стрелки, расположенные по оси катушки, показывают одно направление. Отмечаем, что у правого конца катушки стрелка показывает, что силовые линии входят в катушку, значит -это «южный полюс» (S), а в левом магнитная стрелка показывает, что выходят, это «северный полюс» (N). Снаружи катушки магнитные стрелки имеют противоположное направление по сравнению с направлением внутри катушки.
Проведем опыт (5). В этой же цепи поменяем направление тока. Обнаружим, что направление всех магнитных стрелок изменилось, они повернулись на 180 градусов. Делаем вывод: направление магнитных силовых линий зависит от направления тока по виткам катушки.
Проведем опыт (6). Уберем магнитные стрелки и включим цепь. Осторожно «посолим железными опилками» картон внутри и снаружи катушки. Получим картину магнитных силовых линий, которая называется «спектр магнитного поля катушки с током»
А как же определить направление магнитных силовых линий? Направление магнитных силовых линий определяется по правилу буравчика так же, как и для витка с током: Если направление вращения ручки буравчика совместить с направлением тока в витках, то направление поступательного движения совпадет с направлением магнитных силовых линий внутри соленоида. Магнитное поле соленоида похоже на магнитное поле постоянного полосового магнита. Тот конец катушки, из которого выходят силовые линии, будет «северным полюсом» (N), а тот, в который входят силовые линии - «южным полюсом» (S).
После открытия Ганса Эрстеда многие ученые стали повторять его опыты, придумывая новые, чтобы обнаружить доказательства связи электричества и магнетизма. Французский ученый Доминик Араго поместил железный стержень, в стеклянную трубку и поверх нее намотал медный провод, по которому пропустил электрический ток. Как только Араго замкнул электрическую цепь, стержень из железа так сильно намагнитился, что притянул к себе железные ключи. Чтобы оторвать ключи, пришлось приложить значительные усилия. Когда Араго отключил источник тока, то ключи отвалились сами! Так Араго изобрел первый электромагнит. Современные электромагниты состоят из трех частей: обмотки, сердечника и якоря. Провода помещают в специальную оболочку, которая играет роль изолятора. Проводом наматывают многослойную катушку - обмотку электромагнита. В качестве сердечника используют стальной стержень. Пластина, которая притягивается к сердечнику, называется якорем. Электромагниты получили широкое применение в промышленности благодаря их свойствам: они быстро размагничиваются при выключении тока; их можно изготавливать самых различных размеров в зависимости от назначения; меняя силу тока можно регулировать магнитное действие электромагнита. Электромагниты применяются на заводах для переноски изделий из стали и чугуна. Эти магниты имеют большую подъемную силу. Применяются электромагниты также в электрическом звонке, электромагнитных сепараторах, в микрофонах, в телефонах. Сегодня мы рассмотрели магнитное поле кругового тока, катушки с током. Познакомились с электромагнитами, их применением в промышленности и в народном хозяйстве.