Induktorer og magnetiske felt. Magnetfelt på aksen til en kort spole med strøm Hvordan finne magnetfeltet til spolen

For å konsentrere magnetfeltet i en viss del av rommet, er en spole laget av en ledning, gjennom hvilken en strøm føres.

En økning i den magnetiske induksjonen av feltet oppnås ved å øke antall omdreininger av spolen og plassere den på en stålkjerne, hvis molekylære strømmer, skaper sitt eget felt, øker det resulterende feltet til spolen.

Ris. 3-11. Ringspole.

Den ringformede spolen (Figur 3-11) har w svinger jevnt fordelt langs den ikke-magnetiske kjernen. Overflaten, avgrenset av en sirkel med radius som faller sammen med den gjennomsnittlige magnetiske linjen, er gjennomboret av en total strøm.

På grunn av symmetri er feltstyrken H på alle punkter som ligger på den midterste magnetlinjen den samme, derfor m.f.

I henhold til loven om totalstrøm

hvorfra magnetfeltstyrken på den midtre magnetiske linjen faller sammen med den aksiale linjen til den ringformede spolen,

og den magnetiske induksjonen

Når magnetisk induksjon på aksiallinjen med tilstrekkelig nøyaktighet kan betraktes som lik dens gjennomsnittsverdi, og følgelig den magnetiske fluksen gjennom tverrsnittet av spolen

Ligning (3-20) kan gis form av Ohms lov for en magnetisk krets

hvor Ф - magnetisk fluks; - m.d.s.; - motstanden til den magnetiske kretsen (kjerne).

Ligning (3-21) ligner på Ohms lovligning for en elektrisk krets, dvs. den magnetiske fluksen er lik forholdet mellom ppm. til den magnetiske motstanden til kretsen.

Ris. 3-12. Sylindrisk spole.

Den sylindriske spolen (fig. 3-12) kan betraktes som en del av en ringformet spole med tilstrekkelig stor radius og med en vikling kun plassert på en del av kjernen, hvis lengde er lik lengden på spolen. Feltstyrken og magnetisk induksjon på den aksiale linjen i midten av en sylindrisk spole bestemmes av formlene (3-18) og (3-19), som i dette tilfellet er omtrentlige og gjelder kun for spoler med (fig. 3- 12).

Elektromagnetisme er et sett med fenomener forårsaket av koblingen av elektriske strømmer og magnetiske felt. Noen ganger fører denne forbindelsen til uønskede effekter. For eksempel forårsaker strømmen som går gjennom de elektriske kablene på et skip en unødvendig avbøyning av skipets kompass. Imidlertid brukes elektrisitet ofte bevisst til å skape magnetiske felt med stor intensitet. Et eksempel er elektromagneter. Vi skal snakke om dem i dag.

og magnetisk fluks

Intensiteten til magnetfeltet kan bestemmes av antall magnetiske flukslinjer per arealenhet. oppstår overalt hvor en elektrisk strøm flyter, og den magnetiske fluksen i luften er proporsjonal med sistnevnte. En rett ledning som fører strøm kan bøyes til en spole. Med en tilstrekkelig liten spoleradius fører dette til en økning i den magnetiske fluksen. I dette tilfellet øker ikke strømstyrken.

Effekten av magnetisk flukskonsentrasjon kan forsterkes ytterligere ved å øke antall omdreininger, dvs. vri ledningen til en spole. Det motsatte er også sant. Magnetfeltet til en spole med strøm kan svekkes ved å redusere antall omdreininger.

Vi utleder en viktig relasjon. Ved punktet med maksimal magnetisk flukstetthet (det er flest flukslinjer per arealenhet), uttrykkes forholdet mellom den elektriske strømmen I, antall vindinger av ledningen n og den magnetiske fluksen B som følger: In er proporsjonal med V En strøm på 12 A som strømmer gjennom en spole på 3 omdreininger, skaper nøyaktig det samme magnetfeltet som en strøm på 3 A som går gjennom en spole på 12 omdreininger. Det er viktig å vite dette når man skal løse praktiske problemer.

Solenoid

En spole av viklet tråd som skaper et magnetfelt kalles en solenoid. Ledninger kan vikles på jern (jernkjerne). En ikke-magnetisk base (som en luftkjerne) vil også fungere. Som du kan se, kan ikke bare jern brukes til å lage et magnetfelt for en strømspole. Når det gjelder fluks, tilsvarer enhver ikke-magnetisk kjerne luft. Det vil si at forholdet ovenfor, relatert til strømmen, antall omdreininger og fluksen, i dette tilfellet er oppfylt ganske nøyaktig. Dermed kan magnetfeltet til en spole med strøm svekkes hvis dette mønsteret brukes.

Bruken av jern i solenoiden

Hvorfor brukes jern i en solenoid? Dens tilstedeværelse påvirker magnetfeltet til spolen med strøm på to måter. Det øker strømmen, ofte tusenvis av ganger eller mer. Ett viktig forholdsforhold kan imidlertid krenkes i dette tilfellet. Vi snakker om den som eksisterer mellom den magnetiske fluksen og strømmen i luftkjernespoler.

Mikroskopiske områder i jern, domener (mer presist, under påvirkning av et magnetisk felt som skapes av strøm, bygges i én retning. Som et resultat, i nærvær av en jernkjerne, skaper denne strømmen en større magnetisk fluks per enhet seksjon av ledningen. Dermed øker flukstettheten betydelig. Når alle domener stiller opp i samme retning, øker en ytterligere økning i strøm (eller antall omdreininger i spolen) bare litt den magnetiske flukstettheten.

La oss nå snakke litt om induksjon. Dette er en viktig del av vårt tema.

Induksjon av magnetfeltet til en spole med strøm

Selv om magnetfeltet til en jernkjernesolenoid er mye sterkere enn til en luftkjernesolenoid, er størrelsen begrenset av jernets egenskaper. Størrelsen på den som skapes av luftkjernespolen er teoretisk ubegrenset. Imidlertid er det som regel svært vanskelig og kostbart å oppnå de enorme strømmene som er nødvendige for å skape et felt som i størrelsesorden kan sammenlignes med en jernkjerne-solenoid. Du trenger ikke alltid å gå denne ruten.

Hva skjer hvis du endrer magnetfeltet til en strømførende spole? Denne handlingen kan generere en elektrisk strøm på samme måte som en strøm skaper et magnetfelt. Når en magnet nærmer seg en leder, induserer magnetiske kraftlinjer som krysser lederen en spenning i den. Polariteten til den induserte spenningen avhenger av polariteten og retningen til den magnetiske fluksendringen. Denne effekten er mye sterkere i spolen enn i en enkelt sving: den er proporsjonal med antall omdreininger i viklingen. I nærvær av en jernkjerne øker den induserte spenningen i solenoiden. Med denne metoden er bevegelsen av lederen i forhold til den magnetiske fluksen nødvendig. Hvis lederen ikke krysser linjene med magnetisk fluks, vil det ikke oppstå spenning.

Hvordan får du energi

Elektriske generatorer genererer strøm basert på de samme prinsippene. Vanligvis roterer magneten mellom spolene. Størrelsen på den induserte spenningen avhenger av størrelsen på magnetfeltet og rotasjonshastigheten (de bestemmer endringshastigheten til den magnetiske fluksen). Spenningen i en leder er direkte proporsjonal med hastigheten til den magnetiske fluksen i den.

I mange generatorer er magneten erstattet av en solenoid. For å skape et magnetisk felt av spolen med strøm, kobles solenoiden til Hva vil i dette tilfellet være den elektriske kraften som genereres av generatoren? Det er lik produktet av spenning og strøm. På den annen side gjør forholdet mellom strøm i en leder og magnetisk fluks det mulig å bruke fluksen generert av en elektrisk strøm i et magnetfelt for å oppnå mekanisk bevegelse. Elektriske motorer og noen elektriske måleinstrumenter fungerer etter dette prinsippet. For å skape bevegelse i dem er det imidlertid nødvendig å bruke ekstra elektrisk kraft.

Sterke magnetiske felt

For øyeblikket er det mulig å oppnå en enestående intensitet av magnetfeltet til en spole med strøm. Elektromagneter kan være veldig kraftige. I dette tilfellet flyter strømmen uten tap, dvs. forårsaker ikke oppvarming av materialet. Dette gjør at høye spenninger kan påføres luftkjernesolenoider og unngår begrensningen på grunn av metningseffekten. Et så kraftig magnetfelt til en spole med strøm åpner for veldig store muligheter. Elektromagneter og deres applikasjoner er ikke forgjeves av interesse for mange forskere. Tross alt kan sterke felt brukes til å bevege seg på en magnetisk "pute" og lage nye typer elektriske motorer og generatorer. De er i stand til høy effekt til lav pris.

Energien til magnetfeltet til en spole med strøm brukes aktivt av menneskeheten. Det har vært mye brukt i mange år, spesielt på jernbane. Vi skal nå snakke om hvordan de magnetiske linjene i feltet til en spole med strøm brukes til å regulere togs bevegelse.

Jernbanemagneter

Jernbaner bruker vanligvis systemer der, for større sikkerhet, elektromagneter og permanente magneter utfyller hverandre. Hvordan fungerer disse systemene? En sterk festes nær skinnen i en viss avstand fra trafikklys. Under passasjen av toget over magneten roterer aksen til den permanente flate magneten i førerhuset gjennom en liten vinkel, hvoretter magneten forblir i den nye posisjonen.

Jernbanetrafikkkontroll

Bevegelsen av den flate magneten aktiverer en alarmklokke eller sirene. Da skjer følgende. Etter et par sekunder passerer førerhuset over elektromagneten, som er koblet til lyskrysset. Hvis han gir toget grønt lys, aktiveres elektromagneten og aksen til den permanente magneten i bilen svinger til sin opprinnelige posisjon, og slår av signalet i førerhuset. Når det røde eller gule lyset lyser ved trafikklyset, slås elektromagneten av, og etter en viss forsinkelse slås bremsen automatisk på, med mindre sjåføren selvfølgelig har glemt å gjøre dette. Bremsekretsen (samt lydsignalet) kobles til nettverket fra det øyeblikket magnetaksen dreies. Hvis magneten går tilbake til sin opprinnelige posisjon under forsinkelsen, aktiveres ikke bremsen.

Skaper et magnetfelt rundt seg selv. En person ville ikke vært seg selv hvis han ikke hadde funnet ut hvordan han skulle bruke en så fantastisk egenskap til strømmen. Basert på dette fenomenet skapte mennesket elektromagneter.

Deres anvendelse er veldig bred og allestedsnærværende i den moderne verden. Elektromagneter er bemerkelsesverdige ved at de, i motsetning til permanente magneter, kan slås av og på etter behov, og styrken på magnetfeltet rundt dem kan endres. Hvordan brukes de magnetiske egenskapene til strømmen? Hvordan lages og brukes elektromagneter?

Magnetfeltet til en spole med strøm

Som et resultat av eksperimenter var det mulig å finne ut at magnetfeltet rundt en leder med strøm kan forsterkes dersom ledningen rulles opp i form av en spiral. Det viser seg en slags spole. Magnetfeltet til en slik spole er mye større enn magnetfeltet til en enkelt leder.

Dessuten er kraftlinjene til magnetfeltet til spolen med strøm anordnet på en lignende måte som kraftlinjene til en konvensjonell rektangulær magnet. Spolen har to poler og buer av divergerende magnetiske linjer langs spolen. En slik magnet kan slås henholdsvis av og på når som helst ved å skru av og på strømmen i spoleledningene.

Måter å påvirke de magnetiske kreftene til spolen

Det viste seg imidlertid at den nåværende spolen har andre bemerkelsesverdige egenskaper. Jo flere svinger spolen består av, jo sterkere blir magnetfeltet. Dette lar deg samle magneter av forskjellige styrker. Det finnes imidlertid enklere måter å påvirke størrelsen på magnetfeltet.

Så med en økning i strømstyrken i spolens ledninger, øker styrken til magnetfeltet, og omvendt, med en reduksjon i strømstyrken, svekkes magnetfeltet. Det vil si at med en elementær tilkobling av en reostat får vi en justerbar magnet.

Magnetfeltet til en strømførende spole kan økes kraftig ved å sette inn en jernstang inne i spolen. Det kalles kjernen. Bruken av en kjerne gjør det mulig å lage svært kraftige magneter. For eksempel i produksjonen brukes magneter som kan løfte og holde på flere titalls tonns vekt. Dette oppnås på følgende måte.

Kjernen er bøyd i form av en bue, og to spoler settes på sine to ender, gjennom hvilke strøm føres. Spolene er forbundet med ledninger 4e slik at deres poler faller sammen. Kjernen forsterker magnetfeltet deres. Nedenfra bringes en plate med krok til denne strukturen, som en last er hengt opp på. Lignende enheter brukes i fabrikker og havner for å flytte laster med svært stor vekt. Disse vektene kobles enkelt til og fra når strømmen slås av og på i spolene.

Elektromagneter og deres anvendelser

Elektromagneter brukes så allestedsnærværende at det kanskje er vanskelig å nevne en elektromekanisk enhet der de ikke ville blitt brukt. Dørene i inngangene holdes av elektromagneter.

Elektriske motorer av forskjellige enheter konverterer elektrisk energi til mekanisk energi ved hjelp av elektromagneter. Lyden i høyttalerne lages ved hjelp av magneter. Og dette er ikke en fullstendig liste. Et stort antall av bekvemmelighetene til det moderne livet skylder deres eksistens til bruken av elektromagneter.

Hvis en rett leder er foldet inn i en sirkel, kan magnetfeltet til den sirkulære strømmen undersøkes.
La oss gjennomføre eksperimentet (1). Før ledningen i form av en sirkel gjennom pappen. La oss plassere noen få ledige magnetiske piler på overflaten av pappen på forskjellige punkter. Slå på strømmen og se at de magnetiske pilene i midten av spolen viser samme retning, og utenfor spolen på begge sider i den andre retningen.
La oss nå gjenta eksperimentet (2), endre polene, og derav retningen til strømmen. Vi ser at de magnetiske pilene har endret retning på hele overflaten av pappen med 180 grader.
Vi konkluderer: de magnetiske linjene til den sirkulære strømmen avhenger også av strømmens retning i lederen.
La oss gjennomføre et eksperiment 3. La oss fjerne de magnetiske pilene, skru på den elektriske strømmen og helle forsiktig små jernspåner over hele overflaten av pappen Vi fikk et bilde av magnetiske kraftlinjer, som kalles "sirkulær strøm magnetfeltspektrum ". Hvordan bestemme retningen til magnetfeltlinjer i dette tilfellet? Igjen bruker vi gimlet-regelen, men som brukt på sirkulær strøm. Hvis rotasjonsretningen til håndtaket til gimlet er på linje med retningen til strømmen i den sirkulære lederen, vil retningen til translasjonsbevegelsen til gimlet falle sammen med retningen til de magnetiske kraftlinjene.
La oss vurdere flere tilfeller.
1. Spolens plan ligger i arkets plan, strømmen gjennom spolen går med klokken. Ved å rotere spolen med klokken, fastslår vi at de magnetiske kraftlinjene i midten av spolen er rettet inne i spolen "bort fra oss". Dette er konvensjonelt indikert med et "+" (pluss)-tegn. De. i midten av spolen setter vi "+"
2. Spolens plan ligger i arkets plan, strømmen gjennom spolen går mot klokken. Ved å rotere spolen mot klokken, fastslår vi at de magnetiske kraftlinjene kommer ut av midten av spolen «mot oss». Dette er konvensjonelt betegnet med "∙" (prikk). De. i midten av spolen må vi sette en prikk ("∙").
Hvis en rett leder er viklet rundt en sylinder, vil en spole med strøm, eller en solenoid, oppnås.
La oss gjennomføre et eksperiment (4.) Vi bruker samme krets for forsøket, bare ledningen er nå ført gjennom papp i form av en spole. La oss plassere flere frie magnetiske piler på pappens plan på forskjellige punkter: i begge ender av spolen, inne i spolen og på begge sider utenfor. La spolen plasseres horisontalt (venstre-til-høyre retning). Slå på kretsen og finn ut at magnetnålene plassert langs spolens akse viser én retning. Vi legger merke til at i høyre ende av spolen viser pilen at kraftlinjene kommer inn i spolen, noe som betyr at dette er "sørpolen" (S), og i venstre ende viser magnetnålen at de går ut. , dette er "nordpolen" (N). Utenfor spolen har magnetnålene motsatt retning sammenlignet med retningen inne i spolen.
La oss utføre eksperiment (5). I samme krets endrer du retningen på strømmen. Vi finner at retningen på alle magnetpilene har endret seg, de har snudd 180 grader. Vi konkluderer: retningen til magnetfeltlinjene avhenger av retningen til strømmen gjennom spolens svinger.
La oss utføre eksperiment (6). Fjern de magnetiske pilene og slå på kretsen. "Salt med jernspåner" forsiktig pappen på innsiden og utsiden av spolen. Vi får et bilde av magnetfeltlinjer, som kalles "spekteret av magnetfeltet til en spole med strøm"
Men hvordan bestemme retningen til magnetfeltlinjer? Retningen til magnetfeltlinjene bestemmes i henhold til gimlet-regelen på samme måte som for en spole med strøm: Hvis rotasjonsretningen til gimlet-håndtaket er på linje med strømmens retning i spolene, vil retningen til translasjonsbevegelse vil falle sammen med retningen til magnetfeltlinjene inne i solenoiden. Magnetfeltet til en solenoid ligner det til en permanent stangmagnet. Enden av spolen som kraftlinjene kommer ut fra vil være "nordpolen" (N), og den som kraftlinjene kommer inn i vil være "sørpolen" (S).
Etter oppdagelsen av Hans Oersted begynte mange forskere å gjenta eksperimentene hans, og fant opp nye for å finne bevis på sammenhengen mellom elektrisitet og magnetisme. Den franske vitenskapsmannen Dominique Arago plasserte en jernstang i et glassrør og viklet en kobbertråd over den, som han ledet en elektrisk strøm gjennom. Så snart Arago lukket den elektriske kretsen, ble jernstangen så sterkt magnetisert at den trakk jernnøklene til seg selv. Det tok mye arbeid å få nøklene av. Da Arago skrudde av strømkilden, falt nøklene av seg selv! Så Arago oppfant den første elektromagneten. Moderne elektromagneter består av tre deler: vikling, kjerne og armatur. Ledningene er plassert i en spesiell kappe, som spiller rollen som en isolator. En flerlagsspole er viklet med en ledning - viklingen av en elektromagnet. En stålstang brukes som kjerne. Platen som er tiltrukket av kjernen kalles ankeret. Elektromagneter er mye brukt i industrien på grunn av deres egenskaper: de avmagnetiserer raskt når strømmen slås av; de kan lages i en rekke størrelser avhengig av formålet; Ved å variere strømmen kan den magnetiske virkningen til elektromagneten kontrolleres. Elektromagneter brukes i fabrikker for å frakte stål- og støpejernsprodukter. Disse magnetene har stor løftekraft. Elektromagneter brukes også i elektriske klokker, elektromagnetiske separatorer, mikrofoner, telefoner. I dag undersøkte vi magnetfeltet til sirkulær strøm, spoler med strøm. Vi ble kjent med elektromagneter, deres anvendelse i industrien og i nasjonal økonomi.