Cewki indukcyjne i pola magnetyczne. Pole magnetyczne na osi krótkiej cewki z prądem Jak znaleźć pole magnetyczne cewki

Aby skoncentrować pole magnetyczne w określonej części przestrzeni, wykonuje się cewkę z drutu, przez który przepływa prąd.

Zwiększenie indukcji magnetycznej pola osiąga się poprzez zwiększenie liczby zwojów cewki i umieszczenie jej na stalowym rdzeniu, którego prądy molekularne tworząc własne pole zwiększają powstałe pole cewki.

Ryż. 3-11. Cewka pierścieniowa.

Cewka pierścieniowa (rysunek 3-11) ma zwoje równomiernie rozmieszczone wzdłuż niemagnetycznego rdzenia. Przez powierzchnię ograniczoną okręgiem o promieniu pokrywającym się ze średnią linią magnetyczną przepływa pełny prąd.

Ze względu na symetrię natężenie pola H we wszystkich punktach leżących na średniej linii magnetycznej jest takie samo, a zatem ppm.

Zgodnie z prawem prądu całkowitego

skąd natężenie pola magnetycznego na średniej linii magnetycznej pokrywającej się z linią środkową cewki pierścieniowej,

i indukcja magnetyczna

Gdy indukcję magnetyczną na linii środkowej można uwzględnić z wystarczającą dokładnością równą jej wartości średniej, a w konsekwencji strumień magnetyczny przez przekrój cewki

Równanie (3-20) można zapisać w postaci prawa Ohma dla obwodu magnetycznego

gdzie Ф jest strumieniem magnetycznym; - m.d.s.; - rezystancja obwodu magnetycznego (rdzenia).

Równanie (3-21) jest podobne do równania prawa Ohma dla obwodu elektrycznego, tj. strumień magnetyczny jest równy stosunkowi ppm. na rezystancję magnetyczną obwodu.

Ryż. 3-12. Cewka cylindryczna.

Cewkę cylindryczną (rys. 3-12) można rozpatrywać jako część cewki pierścieniowej o odpowiednio dużym promieniu i z uzwojeniem umieszczonym tylko na części rdzenia, której długość jest równa długości cewki. Natężenie pola i indukcję magnetyczną na linii osiowej w środku cylindrycznej cewki określają wzory (3-18) i (3-19), które w tym przypadku są przybliżone i mają zastosowanie tylko dla cewek o (rys. 3- 12).

Elektromagnetyzm to zespół zjawisk spowodowanych połączeniem prądów elektrycznych i pól magnetycznych. Czasami to połączenie prowadzi do niepożądanych skutków. Na przykład prąd przepływający przez kable elektryczne na statku powoduje niepotrzebne odchylenie kompasu statku. Jednakże energia elektryczna jest często celowo wykorzystywana do wytwarzania pól magnetycznych o dużym natężeniu. Przykładem są elektromagnesy. Porozmawiamy o nich dzisiaj.

i strumień magnetyczny

Natężenie pola magnetycznego można określić na podstawie liczby linii strumienia magnetycznego na jednostkę powierzchni. zachodzi wszędzie tam, gdzie płynie prąd elektryczny, a strumień magnetyczny w powietrzu jest do niego proporcjonalny. Prosty drut przewodzący prąd można zagiąć w cewkę. Przy wystarczająco małym promieniu cewki prowadzi to do wzrostu strumienia magnetycznego. W tym przypadku siła prądu nie wzrasta.

Efekt koncentracji strumienia magnetycznego można dodatkowo wzmocnić poprzez zwiększenie liczby zwojów, czyli skręcenie drutu w cewkę. Jest też odwrotnie. Pole magnetyczne cewki przewodzącej prąd można osłabić poprzez zmniejszenie liczby zwojów.

Wyprowadźmy ważną zależność. W punkcie maksymalnej gęstości strumienia magnetycznego (gdzie jest najwięcej linii strumienia na jednostkę powierzchni) zależność pomiędzy prądem elektrycznym I, liczbą zwojów drutu n i strumieniem magnetycznym B wyraża się następująco: In jest proporcjonalna do B. Prąd o natężeniu 12 A przepływający przez cewkę o 3 zwojach wytwarza dokładnie takie samo pole magnetyczne, jak prąd o natężeniu 3 A przepływający przez cewkę o 12 zwojach. Warto o tym wiedzieć przy rozwiązywaniu problemów praktycznych.

Elektrozawór

Cewka nawiniętego drutu, która wytwarza pole magnetyczne, nazywana jest solenoidem. Druty można owinąć wokół żelaza (żelazny rdzeń). Odpowiednia jest również podstawa niemagnetyczna (na przykład rdzeń powietrzny). Jak widać, do wytworzenia pola magnetycznego cewki przewodzącej prąd można użyć nie tylko żelaza. Pod względem wielkości strumienia każdy rdzeń niemagnetyczny jest równoważny powietrzu. Oznacza to, że powyższa zależność łącząca prąd, liczbę zwojów i strumień jest w tym przypadku spełniona dość dokładnie. Zatem pole magnetyczne cewki przewodzącej prąd może zostać osłabione, jeśli zastosuje się tę zasadę.

Zastosowanie żelaza w elektromagnesie

Do czego służy żelazo w elektromagnesie? Jego obecność wpływa na pole magnetyczne cewki przewodzącej prąd na dwa sposoby. Zwiększa prąd, często tysiące razy lub więcej. Może to jednak naruszać jedną ważną zależność proporcjonalną. Mówimy o tym, który istnieje pomiędzy strumieniem magnetycznym a prądem w cewkach z rdzeniem powietrznym.

Mikroskopijne obszary w żelazie, domeny (dokładniej są zbudowane w jednym kierunku pod działaniem pola magnetycznego wytwarzanego przez prąd. W rezultacie, w obecności żelaznego rdzenia, prąd ten wytwarza większy strumień magnetyczny na jednostkowy przekrój drutu.W ten sposób gęstość strumienia znacznie wzrasta.Gdy wszystkie domeny ustawiają się w tym samym kierunku, dalszy wzrost prądu (lub liczby zwojów w cewce) tylko nieznacznie zwiększa gęstość strumienia magnetycznego.

Porozmawiajmy teraz trochę o indukcji. To ważna część interesującego nas tematu.

Indukcja pola magnetycznego cewki prądowej

Chociaż pole magnetyczne solenoidu z rdzeniem żelaznym jest znacznie silniejsze niż pole magnetyczne solenoidu z rdzeniem powietrznym, jego wielkość jest ograniczona właściwościami żelaza. Teoretycznie nie ma ograniczeń co do rozmiaru tworzonego przez cewkę z rdzeniem powietrznym. Jednak ogólnie rzecz biorąc, uzyskanie ogromnych prądów wymaganych do wytworzenia pola porównywalnego do pola elektromagnetycznego z rdzeniem żelaznym jest bardzo trudne i kosztowne. Nie zawsze musisz iść tą drogą.

Co się stanie, jeśli zmienisz pole magnetyczne cewki przewodzącej prąd? To działanie może wytworzyć prąd elektryczny w taki sam sposób, w jaki prąd wytwarza pole magnetyczne. Kiedy magnes zbliża się do przewodnika, linie siły magnetycznej przechodzące przez przewodnik indukują w nim napięcie. Polaryzacja indukowanego napięcia zależy od polaryzacji i kierunku zmiany strumienia magnetycznego. Efekt ten jest znacznie silniejszy w cewce niż w pojedynczym zwoju: jest proporcjonalny do liczby zwojów w uzwojeniu. W obecności żelaznego rdzenia wzrasta napięcie indukowane w elektromagnesie. W przypadku tej metody konieczne jest, aby przewodnik poruszał się względem strumienia magnetycznego. Jeśli przewodnik nie przetnie linii strumienia magnetycznego, nie pojawi się żadne napięcie.

Jak pozyskujemy energię?

Generatory elektryczne wytwarzają prąd w oparciu o te same zasady. Zazwyczaj magnes obraca się pomiędzy cewkami. Wielkość indukowanego napięcia zależy od wielkości pola magnesu i prędkości jego obrotu (decydują one o szybkości zmian strumienia magnetycznego). Napięcie w przewodniku jest wprost proporcjonalne do prędkości strumienia magnetycznego w nim.

W wielu generatorach magnes zastępuje się elektromagnesem. Aby wytworzyć pole magnetyczne w cewce przewodzącej prąd, elektromagnes jest podłączony do prądu. Jaka będzie w tym przypadku moc elektryczna wytwarzana przez generator? Jest równy iloczynowi napięcia i prądu. Z drugiej strony związek między prądem w przewodniku a strumieniem magnetycznym pozwala na wykorzystanie strumienia wytworzonego przez prąd elektryczny w polu magnetycznym do wytworzenia ruchu mechanicznego. Na tej zasadzie działają silniki elektryczne i niektóre elektryczne przyrządy pomiarowe. Aby jednak wytworzyć w nich ruch, konieczne jest wydatkowanie dodatkowej energii elektrycznej.

Silne pola magnetyczne

Obecnie przy użyciu można uzyskać niespotykane dotąd natężenie pola magnetycznego cewki z prądem. Elektromagnesy mogą być bardzo potężne. W tym przypadku prąd płynie bez strat, czyli nie powoduje nagrzewania się materiału. Pozwala to na przyłożenie wysokich napięć do elektromagnesów z rdzeniem powietrznym i pozwala uniknąć ograniczeń związanych z nasyceniem. Tak silne pole magnetyczne cewki przewodzącej prąd otwiera bardzo duże perspektywy. Elektromagnesy i ich zastosowania nie bez powodu interesują wielu naukowców. Przecież silne pola można wykorzystać do poruszania się na lewitacji magnetycznej i tworzenia nowych typów silników elektrycznych i generatorów. Są w stanie uzyskać dużą moc przy niskich kosztach.

Energia pola magnetycznego cewki prądowej jest aktywnie wykorzystywana przez ludzkość. Jest szeroko stosowany od wielu lat, szczególnie na kolei. Porozmawiamy teraz o tym, jak linie pola magnetycznego cewki przewodzącej prąd są wykorzystywane do regulacji ruchu pociągów.

Magnesy na kolei

Koleje zazwyczaj korzystają z systemów, w których elektromagnesy i magnesy trwałe uzupełniają się wzajemnie, co zapewnia większe bezpieczeństwo. Jak działają te systemy? Mocny mocuje się blisko szyny, w pewnej odległości od sygnalizacji świetlnej. Gdy pociąg przejeżdża nad magnesem, oś stałego magnesu płaskiego w kabinie maszynisty obraca się o niewielki kąt, po czym magnes pozostaje w nowym położeniu.

Regulacja ruchu na kolei

Ruch płaskiego magnesu uruchamia dzwonek alarmowy lub syrenę. Następnie dzieje się, co następuje. Po kilku sekundach kabina kierowcy mija elektromagnes podłączony do sygnalizacji świetlnej. Jeśli da pociągowi zielone światło, elektromagnes zostanie zasilony, a oś magnesu trwałego w wagonie obróci się do pierwotnego położenia, wyłączając sygnał w kabinie. Kiedy sygnalizacja świetlna świeci się na czerwono lub żółto, elektromagnes zostaje wyłączony, a następnie po pewnym opóźnieniu automatycznie zostaje zaciągnięty hamulec, chyba że kierowca oczywiście zapomniał o tym zrobić. Obwód hamulca (wraz z sygnałem dźwiękowym) zostaje podłączony do sieci od chwili obrotu osi magnesu. Jeśli w trakcie opóźnienia magnes powróci do swojego pierwotnego położenia, hamulec nie zostanie uruchomiony.

Tworzy wokół siebie pole magnetyczne. Osoba nie byłaby sobą, gdyby nie wymyśliła, jak wykorzystać tak cudowną właściwość prądu. W oparciu o to zjawisko człowiek stworzył elektromagnesy.

Ich zastosowanie jest bardzo powszechne i wszechobecne we współczesnym świecie. Elektromagnesy są niezwykłe, ponieważ w przeciwieństwie do magnesów trwałych można je włączać i wyłączać w zależności od potrzeb, a także zmieniać siłę otaczającego ich pola magnetycznego. Jak wykorzystuje się właściwości magnetyczne prądu? Jak powstają i wykorzystywane są elektromagnesy?

Pole magnetyczne cewki prądowej

W wyniku eksperymentów udało się ustalić, że pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem można wzmocnić, jeśli drut zostanie zwinięty w kształcie spirali. Okazuje się, że jest to rodzaj cewki. Pole magnetyczne takiej cewki jest znacznie większe niż pole magnetyczne pojedynczego przewodnika.

Ponadto linie pola magnetycznego cewki przewodzącej prąd są rozmieszczone podobnie jak linie pola konwencjonalnego magnesu prostokątnego. Cewka ma dwa bieguny i linie magnetyczne rozchodzące się łukami wzdłuż cewki. Taki magnes można odpowiednio włączać i wyłączać w dowolnym momencie, włączając i wyłączając prąd w przewodach cewki.

Sposoby oddziaływania na siły magnetyczne cewki

Okazało się jednak, że cewka prądowa ma inne niezwykłe właściwości. Im więcej zwojów składa się z cewki, tym silniejsze staje się pole magnetyczne. Pozwala to na zbieranie magnesów o różnej sile. Istnieją jednak prostsze sposoby wpływania na wielkość pola magnetycznego.

Tak więc, gdy prąd w drutach cewki wzrasta, siła pola magnetycznego wzrasta i odwrotnie, gdy prąd maleje, pole magnetyczne słabnie. Oznacza to, że po prostym podłączeniu reostatu otrzymujemy regulowany magnes.

Pole magnetyczne cewki przewodzącej prąd można znacznie zwiększyć, wprowadzając żelazny pręt do wnętrza cewki. Nazywa się to rdzeniem. Zastosowanie rdzenia pozwala na tworzenie bardzo potężnych magnesów. Na przykład w produkcji używają magnesów zdolnych do podnoszenia i utrzymywania kilkudziesięciu ton ciężaru. Osiąga się to w następujący sposób.

Rdzeń jest wygięty w kształcie łuku, a na jego dwóch końcach nałożone są dwie cewki, przez które przepływa prąd. Cewki są połączone przewodami 4e tak, aby ich bieguny pokrywały się. Rdzeń wzmacnia ich pole magnetyczne. Od dołu do tej konstrukcji przymocowana jest płyta z hakiem, na której zawieszony jest ładunek. Urządzenia tego typu wykorzystywane są w fabrykach i portach do przenoszenia bardzo ciężkich ładunków. Obciążniki te można łatwo podłączać i odłączać podczas włączania i wyłączania prądu w cewkach.

Elektromagnesy i ich zastosowania

Elektromagnesy są stosowane tak powszechnie, że być może trudno jest wymienić urządzenie elektromechaniczne, w którym nie są stosowane. Drzwi w wejściach trzymane są za pomocą elektromagnesów.

Silniki elektryczne w szerokiej gamie urządzeń przekształcają energię elektryczną w energię mechaniczną za pomocą elektromagnesów. Dźwięk w głośnikach tworzony jest za pomocą magnesów. A to nie jest pełna lista. Ogromna liczba udogodnień współczesnego życia zawdzięcza swoje istnienie zastosowaniu elektromagnesów.

Jeśli prosty przewodnik zwinie się w okrąg, można zbadać pole magnetyczne prądu kołowego.
Przeprowadźmy doświadczenie (1). Przeprowadzimy drut w kształcie koła przez karton. Umieśćmy kilka wolnych strzałek magnetycznych na powierzchni kartonu w różnych punktach. Włączmy prąd i zobaczmy, że strzałki magnetyczne w środku cewki wskazują ten sam kierunek, a na zewnątrz cewki po obu stronach w przeciwnym kierunku.
Powtórzmy teraz doświadczenie (2), zmieniając bieguny, a co za tym idzie, kierunek prądu. Widzimy, że strzałki magnetyczne zmieniły kierunek na całej powierzchni kartonu o 180 stopni.
Załóżmy, że linie magnetyczne prądu kołowego zależą również od kierunku prądu w przewodniku.
Przeprowadźmy doświadczenie 3. Usuń strzałki magnetyczne, włącz prąd elektryczny i ostrożnie rozsyp drobne opiłki żelaza na całej powierzchni kartonu. Otrzymamy obraz linii sił magnetycznych, który nazywany jest „widmem pola magnetycznego”. prądu okrężnego”. Jak w tym przypadku możemy określić kierunek linii pola magnetycznego? Ponownie stosujemy regułę świdra, ale zastosowaną do prądu kołowego. Jeżeli kierunek obrotu uchwytu świdra połączy się z kierunkiem prądu w przewodzie kołowym, wówczas kierunek ruchu translacyjnego świdra będzie pokrywał się z kierunkiem magnetycznych linii siły.
Rozważmy kilka przypadków.
1. Płaszczyzna cewki leży w płaszczyźnie blachy, prąd wzdłuż cewki płynie zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Obracając cewkę zgodnie z ruchem wskazówek zegara, stwierdzamy, że linie sił magnetycznych w środku cewki są skierowane wewnątrz cewki „od nas”. Jest to tradycyjnie oznaczone znakiem „+” (plus). Te. na środku cewki stawiamy „+”
2. Płaszczyzna cewki leży w płaszczyźnie blachy, prąd wzdłuż cewki płynie w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Obracając cewkę w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, stwierdzamy, że linie siły magnetycznej wychodzą ze środka cewki „w naszą stronę”. Jest to tradycyjnie oznaczane przez „∙” (kropka). Te. na środku tury musimy postawić kropkę („∙”).
Jeśli wokół cylindra owinie się prosty przewodnik, otrzymasz cewkę z prądem lub elektromagnes.
Przeprowadźmy doświadczenie (4.) Do eksperymentu używamy tego samego obwodu, tyle że drut przechodzimy teraz przez tekturę w postaci cewki. Umieśćmy kilka wolnych igieł magnetycznych na płaszczyźnie kartonu w różnych punktach: na obu końcach cewki, wewnątrz cewki i po obu stronach na zewnątrz. Ustaw cewkę poziomo (w kierunku od lewej do prawej). Włączmy obwód i przekonajmy się, że strzałki magnetyczne umieszczone wzdłuż osi cewki wskazują jeden kierunek. Zauważamy, że na prawym końcu cewki strzałka pokazuje, że linie siły wchodzą do cewki, co oznacza, że jest to „biegun południowy” (S), a po lewej stronie strzałka magnetyczna pokazuje, że wychodzą, to jest „biegun północny” (N). Na zewnątrz cewki igły magnetyczne mają przeciwny kierunek w porównaniu do kierunku wewnątrz cewki.
Przeprowadźmy doświadczenie (5). W tym samym obwodzie zmieńmy kierunek prądu. Odkryjemy, że zmienił się kierunek wszystkich igieł magnetycznych, obróciły się o 180 stopni. Dochodzimy do wniosku: kierunek linii pola magnetycznego zależy od kierunku prądu wzdłuż zwojów cewki.
Przeprowadźmy doświadczenie (6). Usuńmy strzałki magnetyczne i włączmy obwód. Ostrożnie posolić karton opiłkami żelaza wewnątrz i na zewnątrz szpuli. Otrzymujemy obraz linii pola magnetycznego, który nazywany jest „widmem pola magnetycznego cewki z prądem”
Jak określić kierunek linii pola magnetycznego? Kierunek linii pola magnetycznego wyznacza reguła świdra w taki sam sposób, jak w przypadku cewki z prądem: Jeżeli kierunek obrotu uchwytu świdra połączymy z kierunkiem prądu w cewkach, to kierunek translacji ruch będzie pokrywał się z kierunkiem linii pola magnetycznego wewnątrz solenoidu. Pole magnetyczne elektromagnesu jest podobne do pola magnetycznego stałego magnesu sztabkowego. Koniec cewki, z którego wychodzą linie pola, będzie „biegunem północnym” (N), a koniec, do którego wejdą linie pola, będzie „biegunem południowym” (S).
Po odkryciu Hansa Oersteda wielu naukowców zaczęło powtarzać jego eksperymenty, wymyślając nowe, aby odkryć dowody na związek między elektrycznością i magnetyzmem. Francuski naukowiec Dominique Arago umieścił żelazny pręt w szklanej rurce i nawinął na nią miedziany drut, przez który przepływał prąd elektryczny. Gdy tylko Arago zamknął obwód elektryczny, żelazny pręt został namagnesowany tak silnie, że przyciągnął do siebie żelazne klucze. Wyjęcie kluczy wymagało wiele wysiłku. Kiedy Arago wyłączył źródło zasilania, klawisze same odpadły! Więc Arago wynalazł pierwszy elektromagnes. Nowoczesne elektromagnesy składają się z trzech części: uzwojenia, rdzenia i twornika. Przewody umieszczone są w specjalnej osłonie, która pełni rolę izolatora. Cewka wielowarstwowa nawinięta jest drutem - uzwojeniem elektromagnesu. Jako rdzeń zastosowano pręt stalowy. Płytka przyciągana do rdzenia nazywana jest twornikiem. Elektromagnesy są szeroko stosowane w przemyśle ze względu na swoje właściwości: szybko rozmagnesowują się po wyłączeniu prądu; mogą być wykonane w różnych rozmiarach w zależności od przeznaczenia; Zmieniając natężenie prądu, można regulować działanie magnetyczne elektromagnesu. Elektromagnesy wykorzystywane są w fabrykach do przenoszenia wyrobów stalowych i żeliwnych. Magnesy te mają dużą siłę podnoszenia. Elektromagnesy są również stosowane w dzwonkach elektrycznych, separatorach elektromagnetycznych, mikrofonach i telefonach. Dzisiaj przyjrzeliśmy się polu magnetycznemu prądu kołowego, cewek z prądem. Zapoznaliśmy się z elektromagnesami, ich zastosowaniem w przemyśle i gospodarce narodowej.