Induktori un magnētiskie lauki. Magnētiskais lauks uz īsas spoles ass ar strāvu Kā atrast spoles magnētisko lauku

Lai koncentrētu magnētisko lauku noteiktā telpas daļā, no stieples tiek izgatavota spole, caur kuru tiek laista strāva.

Lauka magnētiskās indukcijas palielināšana tiek panākta, palielinot spoles apgriezienu skaitu un novietojot to uz tērauda serdes, kuras molekulārās strāvas, radot savu lauku, palielina spoles iegūto lauku.

Rīsi. 3-11. Gredzena spole.

Gredzena spolei (3-11. attēls) ir w pagriezieni, kas vienmērīgi sadalīti pa nemagnētisko serdi. Virsmu, ko ierobežo rādiusa aplis, kas sakrīt ar vidējo magnētisko līniju, caurdur pilna strāva.

Simetrijas dēļ lauka stiprums H visos punktos, kas atrodas uz vidējās magnētiskās līnijas, ir vienāds, tāpēc ppm.

Saskaņā ar kopējās strāvas likumu

no kurienes magnētiskā lauka stiprums uz vidējās magnētiskās līnijas, kas sakrīt ar gredzena spoles centra līniju,

un magnētiskā indukcija

Kad magnētisko indukciju uz centra līnijas var uzskatīt ar pietiekamu precizitāti, kas vienāda ar tās vidējo vērtību, un līdz ar to magnētisko plūsmu caur spoles šķērsgriezumu

Vienādojumam (3-20) var dot Ohma likuma formu magnētiskajai ķēdei

kur Ф ir magnētiskā plūsma; - m.d.s.; - magnētiskās ķēdes (kodola) pretestība.

Vienādojums (3-21) ir līdzīgs Ohma likuma vienādojumam elektriskās ķēdes gadījumā, t.i., magnētiskā plūsma ir vienāda ar ppm attiecību. ķēdes magnētiskajai pretestībai.

Rīsi. 3-12. Cilindriskā spole.

Cilindrisko spoli (3.-12. att.) var uzskatīt par daļu no gredzenveida spoles ar pietiekami lielu rādiusu un ar tinumu, kas atrodas tikai uz serdes daļas, kuras garums ir vienāds ar spoles garumu. Lauka stiprumu un magnētisko indukciju uz aksiālās līnijas cilindriskās spoles centrā nosaka ar formulām (3-18) un (3-19), kuras šajā gadījumā ir aptuvenas un piemērojamas tikai spolēm ar (3. att.- 12).

Elektromagnētisms ir parādību kopums, ko izraisa elektrisko strāvu un magnētisko lauku savienojums. Dažreiz šis savienojums izraisa nevēlamas sekas. Piemēram, strāva, kas plūst pa elektriskajiem kabeļiem uz kuģa, izraisa nevajadzīgu kuģa kompasa novirzi. Tomēr elektrību bieži apzināti izmanto augstas intensitātes magnētisko lauku radīšanai. Piemērs ir elektromagnēti. Par tiem mēs šodien runāsim.

un magnētiskā plūsma

Magnētiskā lauka intensitāti var noteikt pēc magnētiskās plūsmas līniju skaita laukuma vienībā. notiek visur, kur plūst elektriskā strāva, un magnētiskā plūsma gaisā ir proporcionāla pēdējai. Taisnu vadu, kas nes strāvu, var saliekt spolē. Ar pietiekami mazu spoles rādiusu tas noved pie magnētiskās plūsmas palielināšanās. Šajā gadījumā strāvas stiprums nepalielinās.

Magnētiskās plūsmas koncentrācijas efektu var vēl vairāk uzlabot, palielinot apgriezienu skaitu, tas ir, vadu pagriežot spolē. Ir arī pretējais. Strāvas nesošās spoles magnētisko lauku var vājināt, samazinot apgriezienu skaitu.

Atvasināsim svarīgu sakarību. Maksimālā magnētiskās plūsmas blīvuma punktā (kur uz laukuma vienību ir visvairāk plūsmas līniju) attiecība starp elektrisko strāvu I, stieples apgriezienu skaitu n un magnētisko plūsmu B tiek izteikta šādi: In ir proporcionāla uz B. 12 A strāva, kas plūst caur 3 apgriezienu spoli, rada tieši tādu pašu magnētisko lauku kā 3 A strāva, kas plūst caur 12 apgriezienu spoli. Tas ir svarīgi zināt, risinot praktiskas problēmas.

Solenoīds

Satīta stieples spoli, kas rada magnētisko lauku, sauc par solenoīdu. Vadus var aptīt ap dzelzi (dzelzs serdi). Piemērota ir arī nemagnētiska bāze (piemēram, gaisa kodols). Kā redzat, jūs varat izmantot ne tikai dzelzi, lai izveidotu strāvu nesošās spoles magnētisko lauku. Plūsmas lieluma ziņā jebkurš nemagnētiskais kodols ir līdzvērtīgs gaisam. Tas ir, šajā gadījumā iepriekš minētās attiecības, kas savieno strāvu, pagriezienu skaitu un plūsmu, tiek izpildītas diezgan precīzi. Tādējādi, piemērojot šo principu, strāvu nesošās spoles magnētiskais lauks var tikt vājināts.

Dzelzs izmantošana solenoīdā

Kam solenoīdā izmanto dzelzi? Tās klātbūtne ietekmē strāvu nesošās spoles magnētisko lauku divos veidos. Tas palielina strāvu, bieži vien tūkstošiem reižu vai vairāk. Tomēr tas var pārkāpt vienu svarīgu proporcionālu attiecību. Mēs runājam par to, kas pastāv starp magnētisko plūsmu un strāvu spoles ar gaisa serdi.

Dzelzs mikroskopiski apgabali, domēni (precīzāk, tie ir veidoti vienā virzienā magnētiskā lauka iedarbībā, ko rada strāva. Rezultātā dzelzs serdeņa klātbūtnē šī strāva rada lielāku magnētisko plūsmu uz vienu stieples šķērsgriezuma vienība Tādējādi plūsmas blīvums ievērojami palielinās, kad visi domēni sarindojas vienā virzienā, turpmāka strāvas palielināšanās (vai apgriezienu skaits spolē) tikai nedaudz palielina magnētiskās plūsmas blīvumu.

Tagad parunāsim nedaudz par indukciju. Šī ir svarīga tēmas daļa, kas mūs interesē.

Strāvas spoles magnētiskā lauka indukcija

Lai gan dzelzs kodola solenoīda magnētiskais lauks ir daudz spēcīgāks nekā gaisa kodola solenoīda magnētiskais lauks, tā lielumu ierobežo dzelzs īpašības. Gaisa serdes spoles radītajam izmēram teorētiski nav ierobežojumu. Tomēr parasti ir ļoti grūti un dārgi iegūt milzīgās strāvas, kas nepieciešamas, lai radītu lauku, kas pēc lieluma ir salīdzināms ar dzelzs serdes solenoīda laukumu. Jums ne vienmēr ir jāiet šis ceļš.

Kas notiek, ja mainīsit spoles, kas nes strāvu, magnētisko lauku? Šī darbība var radīt elektrisko strāvu tādā pašā veidā, kā strāva rada magnētisko lauku. Kad magnēts tuvojas vadītājam, magnētiskās spēka līnijas, kas šķērso vadītāju, inducē tajā spriegumu. Inducētā sprieguma polaritāte ir atkarīga no magnētiskās plūsmas polaritātes un maiņas virziena. Šis efekts ir daudz spēcīgāks spolē nekā atsevišķā pagriezienā: tas ir proporcionāls apgriezienu skaitam tinumā. Dzelzs serdes klātbūtnē solenoīdā palielinās inducētais spriegums. Izmantojot šo metodi, vadītājam ir jāpārvietojas attiecībā pret magnētisko plūsmu. Ja vadītājs nešķērso magnētiskās plūsmas līnijas, spriegums nenotiks.

Kā mēs iegūstam enerģiju?

Elektriskie ģeneratori ražo strāvu, pamatojoties uz tiem pašiem principiem. Parasti magnēts griežas starp spolēm. Inducētā sprieguma lielums ir atkarīgs no magnēta lauka lieluma un tā griešanās ātruma (tie nosaka magnētiskās plūsmas izmaiņu ātrumu). Spriegums vadītājā ir tieši proporcionāls tajā esošās magnētiskās plūsmas ātrumam.

Daudzos ģeneratoros magnēts tiek aizstāts ar solenoīdu. Lai izveidotu magnētisko lauku strāvu nesošajā spolē, solenoīdu pieslēdz pie Kāda šajā gadījumā būs ģeneratora ģenerētā elektriskā jauda? Tas ir vienāds ar sprieguma un strāvas reizinājumu. No otras puses, attiecības starp strāvu vadītājā un magnētisko plūsmu ļauj izmantot plūsmu, ko rada elektriskā strāva magnētiskajā laukā, lai radītu mehānisku kustību. Elektromotori un daži elektriskie mērinstrumenti darbojas pēc šī principa. Tomēr, lai tajos radītu kustību, ir nepieciešams tērēt papildu elektroenerģiju.

Spēcīgi magnētiskie lauki

Šobrīd, izmantojot, ir iespējams iegūt vēl nebijušu spoles magnētiskā lauka intensitāti ar strāvu. Elektromagnēti var būt ļoti spēcīgi. Šajā gadījumā strāva plūst bez zudumiem, t.i., neizraisa materiāla sildīšanu. Tas ļauj gaisa serdes solenoīdiem pielietot augstu spriegumu un izvairīties no piesātinājuma ierobežojumiem. Tik spēcīgs strāvu nesošās spoles magnētiskais lauks paver ļoti lielas perspektīvas. Elektromagnēti un to pielietojumi pamatota iemesla dēļ interesē daudzus zinātniekus. Galu galā spēcīgus laukus var izmantot, lai pārvietotos pa magnētisko levitāciju un radītu jauna veida elektromotorus un ģeneratorus. Tie spēj nodrošināt lielu jaudu par zemām izmaksām.

Strāvas spoles magnētiskā lauka enerģiju cilvēce aktīvi izmanto. Tas ir plaši izmantots daudzus gadus, jo īpaši uz dzelzceļiem. Tagad mēs runāsim par to, kā strāvu nesošās spoles magnētiskā lauka līnijas tiek izmantotas vilcienu kustības regulēšanai.

Magnēti uz dzelzceļa

Dzelzceļi parasti izmanto sistēmas, kurās elektromagnēti un pastāvīgie magnēti papildina viens otru, lai nodrošinātu lielāku drošību. Kā šīs sistēmas darbojas? Stiprais ir piestiprināts tuvu sliedēm noteiktā attālumā no luksoforiem. Vilcienam braucot pāri magnētam, mašīnista kabīnē esošā pastāvīgā plakanā magnēta ass griežas nelielā leņķī, un pēc tam magnēts paliek jaunajā pozīcijā.

Satiksmes regulēšana uz dzelzceļa

Plakana magnēta kustība iedarbina trauksmes zvanu vai sirēnu. Tad notiek sekojošais. Pēc pāris sekundēm vadītāja kabīne šķērso elektromagnētu, kas ir savienots ar luksoforu. Ja viņš iedod vilcienam zaļo gaismu, tad elektromagnēts tiek ieslēgts un pastāvīgā magnēta ass vagonā pagriežas sākotnējā stāvoklī, izslēdzot signālu salonā. Kad luksofora gaisma ir sarkana vai dzeltena, elektromagnēts tiek izslēgts, un pēc noteiktas kavēšanās automātiski tiek iedarbināta bremze, ja vien vadītājs, protams, nav aizmirsis to izdarīt. Bremžu ķēde (kā arī skaņas signāls) ir savienota ar tīklu no brīža, kad tiek pagriezta magnēta ass. Ja magnēts aizkaves laikā atgriežas sākotnējā pozīcijā, bremzes neieslēdzas.

Ap sevi rada magnētisko lauku. Cilvēks nebūtu viņš pats, ja nebūtu izdomājis, kā izmantot tik brīnišķīgu strāvas īpašību. Pamatojoties uz šo parādību, cilvēks radīja elektromagnētus.

To izmantošana mūsdienu pasaulē ir ļoti izplatīta un visuresoša. Elektromagnēti ir ievērības cienīgi, jo atšķirībā no pastāvīgajiem magnētiem tos var ieslēgt un izslēgt pēc vajadzības, kā arī mainīt apkārtējā magnētiskā lauka stiprumu. Kā tiek izmantotas strāvas magnētiskās īpašības? Kā tiek radīti un izmantoti elektromagnēti?

Strāvas spoles magnētiskais lauks

Eksperimentu rezultātā izdevās noskaidrot, ka magnētisko lauku ap strāvu nesošo vadītāju var pastiprināt, ja vadu satin spirāles formā. Izrādās, ka tā ir sava veida spole. Šādas spoles magnētiskais lauks ir daudz lielāks nekā viena vadītāja magnētiskais lauks.

Turklāt strāvu nesošās spoles magnētiskā lauka līnijas atrodas līdzīgi parastā taisnstūra magnēta lauka līnijām. Spolei ir divi stabi un magnētiskās līnijas, kas lokos atšķiras gar spoli. Šādu magnētu var ieslēgt un izslēgt jebkurā laikā, attiecīgi ieslēdzot un izslēdzot strāvu spoles vados.

Veidi, kā ietekmēt spoles magnētiskos spēkus

Tomēr izrādījās, ka pašreizējai spolei ir citas ievērojamas īpašības. Jo vairāk apgriezienu veido spole, jo spēcīgāks kļūst magnētiskais lauks. Tas ļauj savākt dažāda stipruma magnētus. Tomēr ir vienkāršāki veidi, kā ietekmēt magnētiskā lauka lielumu.

Tātad, palielinoties strāvai spoles vados, magnētiskā lauka stiprums palielinās, un, gluži pretēji, strāvai samazinoties, magnētiskais lauks vājinās. Tas ir, ar vienkāršu reostata savienojumu mēs iegūstam regulējamu magnētu.

Strāvu nesošās spoles magnētisko lauku var ievērojami uzlabot, spoles iekšpusē ievietojot dzelzs stieni. To sauc par kodolu. Kodola izmantošana ļauj izveidot ļoti spēcīgus magnētus. Piemēram, ražošanā viņi izmanto magnētus, kas spēj pacelt un noturēt vairākus desmitus tonnu smagumu. Tas tiek panākts šādi.

Kodols ir saliekts loka formā, un tā abos galos ir uzliktas divas spoles, caur kurām tiek nodota strāva. Spoles ir savienotas ar 4e vadiem tā, lai to stabi sakristu. Kodols uzlabo to magnētisko lauku. No apakšas šai konstrukcijai ir piestiprināta plāksne ar āķi, uz kuras tiek piekārta slodze. Šādas ierīces izmanto rūpnīcās un ostās, lai pārvietotu ļoti smagas kravas. Šie atsvari ir viegli pieslēgti un atvienoti, ieslēdzot un izslēdzot strāvu spoles.

Elektromagnēti un to pielietojums

Elektromagnēti tiek izmantoti tik plaši, ka, iespējams, ir grūti nosaukt elektromehānisko ierīci, kurā tos neizmanto. Durvis ieejās notur elektromagnēti.

Elektromotori visdažādākajās ierīcēs, izmantojot elektromagnētus, pārvērš elektrisko enerģiju mehāniskajā enerģijā. Skaņa skaļruņos tiek radīta, izmantojot magnētus. Un tas nav pilnīgs saraksts. Daudzas mūsdienu dzīves ērtības ir saistītas ar elektromagnētu izmantošanu.

Ja taisnu vadītāju velmē aplī, tad var pētīt apļveida strāvas magnētisko lauku.
Veiksim eksperimentu (1). Mēs izlaidīsim vadu apļa formā caur kartonu. Novietosim vairākas brīvas magnētiskās bultiņas uz kartona virsmas dažādos punktos. Ieslēdzam strāvu un redzēsim, ka magnētiskās bultiņas spoles centrā rāda vienu un to pašu virzienu, bet ārpus spoles abās pusēs pretējā virzienā.
Tagad atkārtosim eksperimentu (2), mainot polus un līdz ar to arī strāvas virzienu. Mēs redzam, ka magnētiskās bultiņas ir mainījušas virzienu pa visu kartona virsmu par 180 grādiem.
Secināsim: apļveida strāvas magnētiskās līnijas ir atkarīgas arī no strāvas virziena vadītājā.
Veiksim eksperimentu 3. Noņemam magnētiskās bultiņas, ieslēdzam elektrisko strāvu un uzmanīgi izberam ar mazām dzelzs vīlītēm pa visu kartona virsmu Iegūstam magnētisko spēka līniju attēlu, ko sauc par “magnētiskā lauka spektru apļveida strāva”. Kā šajā gadījumā mēs varam noteikt magnētiskā lauka līniju virzienu? Mēs atkal piemērojam karkasa likumu, bet piemērojam apļveida strāvai. Ja karkasa roktura griešanās virziens tiek apvienots ar strāvas virzienu apļveida vadītājā, tad karkasa translācijas kustības virziens sakritīs ar magnētisko spēka līniju virzienu.
Apskatīsim vairākus gadījumus.
1. Spoles plakne atrodas loksnes plaknē, strāva pa spoli plūst pulksteņrādītāja virzienā. Pagriežot spoli pulksteņrādītāja virzienā, mēs nosakām, ka spoles centrā esošās magnētiskās spēka līnijas ir vērstas spoles iekšpusē “prom no mums”. Parasti to norāda ar “+” (plus) zīmi. Tie. spoles centrā ievietojam “+”
2. Spoles plakne atrodas loksnes plaknē, strāva pa spoli plūst pretēji pulksteņrādītāja virzienam. Pagriežot spoli pretēji pulksteņrādītāja virzienam, mēs nosakām, ka magnētiskās spēka līnijas iziet no spoles centra “pret mums”. To parasti norāda ar “∙” (punktu). Tie. pagrieziena centrā ir jāievieto punkts (“∙”).
Ja ap cilindru tiek apvilkts taisns vadītājs, jūs iegūstat spoli ar strāvu vai solenoīdu.
Veiksim eksperimentu (4.) Eksperimentam izmantojam to pašu ķēdi, tikai vads tagad tiek izvadīts cauri kartonam spoles veidā. Uzliksim vairākas brīvas magnētiskās adatas uz kartona plaknes dažādos punktos: abos spoles galos, spoles iekšpusē un abās pusēs ārpusē. Ļaujiet spolei novietot horizontāli (virzienā no kreisās uz labo). Ieslēdzam ķēdi un konstatēsim, ka magnētiskās bultiņas, kas atrodas gar spoles asi, rāda vienu virzienu. Mēs atzīmējam, ka spoles labajā galā bultiņa parāda, ka spēka līnijas ieiet spolē, kas nozīmē, ka tas ir "dienvidpols" (S), un kreisajā pusē magnētiskā bultiņa parāda, ka tās iznāk, tas ir "ziemeļpols" (N). Spoles ārpusē magnētiskajām adatām ir pretējs virziens salīdzinājumā ar virzienu spoles iekšpusē.
Veiksim eksperimentu (5). Tajā pašā ķēdē mainīsim strāvas virzienu. Atklāsim, ka visām magnētiskajām adatām ir mainījies virziens, tās ir pagriezušās par 180 grādiem. Mēs secinām: magnētiskā lauka līniju virziens ir atkarīgs no strāvas virziena pa spoles pagriezieniem.
Veiksim eksperimentu (6). Noņemsim magnētiskās bultiņas un ieslēdzam ķēdi. Uzmanīgi sāliet kartonu ar dzelzs vīlēm ruļļa iekšpusē un ārpusē. Mēs iegūstam magnētiskā lauka līniju attēlu, ko sauc par "spoles ar strāvu magnētiskā lauka spektru"
Kā mēs varam noteikt magnētiskā lauka līniju virzienu? Magnētiskā lauka līniju virzienu nosaka karkasa noteikums tāpat kā spolei ar strāvu: Ja karkasa roktura griešanās virzienu apvieno ar strāvas virzienu spolēs, tad translācijas virzienu. kustība sakritīs ar magnētiskā lauka līniju virzienu solenoīda iekšpusē. Solenoīda magnētiskais lauks ir līdzīgs pastāvīgā stieņa magnēta magnētiskajam laukam. Spoles gals, no kura iziet lauka līnijas, būs “ziemeļpols” (N), un gals, kurā lauka līnijas ieiet, būs “dienvidpols” (S).
Pēc Hansa Oersteda atklāšanas daudzi zinātnieki sāka atkārtot viņa eksperimentus, izgudrojot jaunus, lai atklātu pierādījumus par saistību starp elektrību un magnētismu. Franču zinātnieks Dominiks Arago stikla mēģenē ievietoja dzelzs stieni un tam virsū uztīja vara stiepli, caur kuru tika laista elektriskā strāva. Tiklīdz Arago aizvēra elektrisko ķēdi, dzelzs stienis kļuva tik spēcīgi magnetizēts, ka pievilka dzelzs atslēgas pie sevis. Bija jāpiepūlas, lai izņemtu atslēgas. Kad Arago izslēdza strāvas avotu, atslēgas pašas nokrita! Tātad Arago izgudroja pirmo elektromagnētu. Mūsdienu elektromagnēti sastāv no trim daļām: tinuma, serdes un armatūras. Vadi ir ievietoti speciālā apvalkā, kas darbojas kā izolators. Daudzslāņu spole ir uztīta ar stiepli - elektromagnēta tinumu. Kā serde tiek izmantots tērauda stienis. Plāksni, kas tiek piesaistīta kodolam, sauc par armatūru. Elektromagnēti tiek plaši izmantoti rūpniecībā to īpašību dēļ: tie ātri demagnetizējas, kad strāva tiek izslēgta; tos var izgatavot dažādos izmēros atkarībā no mērķa; Mainot strāvas stiprumu, jūs varat regulēt elektromagnēta magnētisko darbību. Elektromagnēti tiek izmantoti rūpnīcās tērauda un čuguna izstrādājumu pārvadāšanai. Šiem magnētiem ir liels celšanas spēks. Elektromagnēti tiek izmantoti arī elektriskajos zvanos, elektromagnētiskajos separatoros, mikrofonos un tālruņos. Šodien mēs apskatījām apļveida strāvas magnētisko lauku, spoles ar strāvu. Iepazināmies ar elektromagnētiem, to izmantošanu rūpniecībā un tautsaimniecībā.