Induktorji in magnetna polja. Magnetno polje na osi kratke tuljave s tokom Kako najti magnetno polje tuljave

Za koncentracijo magnetnega polja v določenem delu prostora je izdelana tuljava iz žice, skozi katero teče tok.

Povečanje magnetne indukcije polja se doseže s povečanjem števila obratov tuljave in namestitvijo na jekleno jedro, katerega molekularni tokovi, ki ustvarjajo lastno polje, povečajo nastalo polje tuljave.

riž. 3-11. Obročna tuljava.

Obročna tuljava (slika 3-11) ima w ovojev, enakomerno porazdeljenih vzdolž nemagnetnega jedra. Površino, ki jo omejuje krog s polmerom, ki sovpada s povprečno magnetno črto, prodre polni tok.

Zaradi simetrije je poljska jakost H v vseh točkah, ki ležijo na povprečni magnetni črti, enaka, torej ppm.

Po zakonu skupnega toka

od tod jakost magnetnega polja na povprečni magnetni črti, ki sovpada s središčnico obročaste tuljave,

in magnetna indukcija

Ko se lahko magnetna indukcija na središčni črti z zadostno natančnostjo šteje za enako njeni povprečni vrednosti in posledično magnetni pretok skozi presek tuljave

Enačbo (3-20) lahko damo v obliki Ohmovega zakona za magnetno vezje

kjer je F magnetni tok; - m.d.s.; - odpornost magnetnega kroga (jedra).

Enačba (3-21) je podobna enačbi Ohmovega zakona za električni krog, tj. magnetni pretok je enak razmerju ppm. na magnetni upor vezja.

riž. 3-12. Cilindrična tuljava.

Cilindrično tuljavo (sl. 3-12) lahko obravnavamo kot del obročaste tuljave z dovolj velikim polmerom in z navitjem, ki se nahaja le na delu jedra, katerega dolžina je enaka dolžini tuljave. Poljska jakost in magnetna indukcija na aksialni liniji v središču cilindrične tuljave sta določeni s formulama (3-18) in (3-19), ki sta v tem primeru približni in uporabni samo za tuljave s (sl. 3- 12).

Elektromagnetizem je skupek pojavov, ki nastanejo zaradi povezave električnih tokov in magnetnih polj. Včasih ta povezava povzroči neželene učinke. Na primer, tok, ki teče po električnih kablih na ladji, povzroči nepotreben odklon ladijskega kompasa. Vendar se električna energija pogosto namerno uporablja za ustvarjanje magnetnih polj visoke intenzivnosti. Primer so elektromagneti. Danes bomo govorili o njih.

in magnetni tok

Intenzivnost magnetnega polja lahko določimo s številom linij magnetnega pretoka na enoto površine. se pojavi povsod, kjer teče električni tok, magnetni pretok v zraku pa je sorazmeren s slednjim. Ravno žico, po kateri teče tok, lahko upognemo v tuljavo. Pri dovolj majhnem polmeru tuljave to vodi do povečanja magnetnega pretoka. V tem primeru se moč toka ne poveča.

Učinek koncentracije magnetnega pretoka lahko še povečamo s povečanjem števila ovojev, to je z zvijanjem žice v tuljavo. Velja tudi obratno. Magnetno polje tuljave, po kateri teče tok, lahko oslabimo z zmanjšanjem števila ovojev.

Izpeljimo pomembno razmerje. Na točki največje gostote magnetnega pretoka (kjer je največ linij pretoka na enoto površine) je razmerje med električnim tokom I, številom ovojev žice n in magnetnim pretokom B izraženo takole: In je sorazmeren do B. Tok 12 A, ki teče skozi tuljavo s 3 ovoji, ustvari popolnoma enako magnetno polje kot tok 3 A, ki teče skozi tuljavo z 12 ovoji. To je pomembno vedeti pri reševanju praktičnih problemov.

Solenoid

Tuljava navite žice, ki ustvarja magnetno polje, se imenuje solenoid. Žice se lahko navijejo okoli železa (železno jedro). Primerna je tudi nemagnetna podlaga (na primer zračno jedro). Kot lahko vidite, lahko za ustvarjanje magnetnega polja tuljave, po kateri teče tok, uporabite več kot le železo. Z vidika velikosti pretoka je vsako nemagnetno jedro enakovredno zraku. To pomeni, da je zgornje razmerje med povezovalnim tokom, številom ovojev in pretokom v tem primeru precej natančno izpolnjeno. Tako lahko magnetno polje tuljave, po kateri teče tok, oslabi, če uporabimo ta princip.

Uporaba železa v solenoidu

Za kaj se uporablja železo v solenoidu? Njegova prisotnost vpliva na magnetno polje tuljave, po kateri teče tok, na dva načina. Poveča tok, pogosto tisočkrat ali več. Vendar pa lahko to krši eno pomembno sorazmerno razmerje. Govorimo o tistem, ki obstaja med magnetnim tokom in tokom v tuljavah z zračnim jedrom.

Mikroskopske regije v železu, domene (natančneje so zgrajene enosmerno pod delovanjem magnetnega polja, ki ga ustvarja tok. Zaradi tega ta tok ob prisotnosti železnega jedra ustvari večji magnetni pretok na Tako se gostota magnetnega pretoka znatno poveča, ko se vse domene poravnajo v isto smer, nadaljnje povečanje toka (ali števila ovojev v tuljavi) le malo poveča gostoto magnetnega pretoka.

Pogovorimo se zdaj malo o indukciji. To je pomemben del teme, ki nas zanima.

Indukcija magnetnega polja tokovne tuljave

Čeprav je magnetno polje solenoida z železnim jedrom veliko močnejše od magnetnega polja solenoida z zračnim jedrom, je njegova velikost omejena z lastnostmi železa. Teoretično ni omejitev glede velikosti, ki jo ustvari tuljava zračnega jedra. Vendar pa je na splošno zelo težko in drago pridobiti ogromne tokove, ki so potrebni za ustvarjanje polja, ki je po velikosti primerljivo s poljem solenoida z železnim jedrom. Ni vam treba vedno iti po tej poti.

Kaj se zgodi, če spremenite magnetno polje tuljave, po kateri teče tok? To dejanje lahko ustvari električni tok na enak način, kot tok ustvari magnetno polje. Ko se magnet približa vodniku, magnetne silnice, ki prečkajo prevodnik, inducirajo v njem napetost. Polarnost inducirane napetosti je odvisna od polarnosti in smeri spremembe magnetnega pretoka. Ta učinek je v tuljavi veliko močnejši kot v posameznem ovoju: sorazmeren je s številom ovojev v navitju. V prisotnosti železnega jedra se inducirana napetost v solenoidu poveča. Pri tej metodi je potrebno, da se prevodnik premika glede na magnetni tok. Če vodnik ne prečka linij magnetnega pretoka, ne bo prišlo do napetosti.

Kako dobimo energijo?

Električni generatorji proizvajajo tok na podlagi istih principov. Običajno se magnet vrti med tuljavami. Velikost inducirane napetosti je odvisna od velikosti magnetnega polja in hitrosti njegovega vrtenja (določata hitrost spreminjanja magnetnega pretoka). Napetost v prevodniku je premo sorazmerna s hitrostjo magnetnega pretoka v njem.

V mnogih generatorjih je magnet nadomeščen s solenoidom. Da bi ustvarili magnetno polje v tuljavi, po kateri teče tok, je solenoid povezan z. Kakšna bo električna moč, ki jo bo v tem primeru proizvedel generator? Je enak produktu napetosti in toka. Po drugi strani pa razmerje med tokom v prevodniku in magnetnim tokom omogoča, da se tok, ki ga ustvari električni tok v magnetnem polju, uporabi za ustvarjanje mehanskega gibanja. Na tem principu delujejo elektromotorji in nekateri električni merilni instrumenti. Vendar pa je za ustvarjanje gibanja v njih potrebno porabiti dodatno električno energijo.

Močna magnetna polja

Trenutno je z uporabo mogoče pridobiti intenzivnost magnetnega polja tuljave s tokom brez primere. Elektromagneti so lahko zelo močni. V tem primeru tok teče brez izgube, torej ne povzroča segrevanja materiala. To omogoča uporabo visokih napetosti v solenoidih zračnega jedra in se izogne omejitvam nasičenosti. Tako močno magnetno polje tuljave s tokom odpira zelo velike možnosti. Elektromagneti in njihove aplikacije zanimajo številne znanstvenike z dobrim razlogom. Navsezadnje se močna polja lahko uporabljajo za premikanje po magnetni levitaciji in ustvarjanje novih vrst elektromotorjev in generatorjev. Zmožni so visoke moči z nizkimi stroški.

Človeštvo aktivno uporablja energijo magnetnega polja tokovne tuljave. Že vrsto let se pogosto uporablja, zlasti na železnicah. Zdaj bomo govorili o tem, kako se magnetne silnice tuljave, po kateri teče tok, uporabljajo za uravnavanje gibanja vlakov.

Magneti na železnici

Železnice običajno uporabljajo sisteme, v katerih se elektromagneti in trajni magneti dopolnjujejo za večjo varnost. Kako ti sistemi delujejo? Močna je pritrjena blizu tirnice na določeni razdalji od semaforja. Ko vlak pelje preko magneta, se os permanentnega ploskega magneta v strojevodski kabini zavrti za majhen kot, po katerem magnet ostane v novem položaju.

Ureditev prometa na železnici

Gibanje ploščatega magneta sproži alarm ali sireno. Potem pa se zgodi naslednje. Po nekaj sekundah voznikova kabina preide čez elektromagnet, ki je povezan s semaforjem. Če vlaku prižge zeleno luč, se elektromagnet napaja in os trajnega magneta v vagonu se zavrti v prvotni položaj ter izklopi signal v kabini. Ko je na semaforju rdeča ali rumena luč, se elektromagnet izklopi, nato pa se po določenem zamiku samodejno aktivira zavora, razen če je seveda voznik tega pozabil storiti. Zavorno vezje (kot tudi zvočni signal) je priključeno na omrežje od trenutka, ko se magnetna os obrne. Če se magnet med zakasnitvijo vrne v prvotni položaj, se zavora ne aktivira.

Okoli sebe ustvari magnetno polje. Človek ne bi bil sam, če ne bi ugotovil, kako uporabiti tako čudovito lastnost toka. Na podlagi tega pojava je človek ustvaril elektromagnete.

Njihova uporaba je v sodobnem svetu zelo razširjena in vseprisotna. Elektromagneti so izjemni, ker jih je v nasprotju s trajnimi magneti mogoče po potrebi vklopiti in izklopiti ter spremeniti jakost magnetnega polja okoli njih. Kako se uporabljajo magnetne lastnosti toka? Kako so ustvarjeni in uporabljeni elektromagneti?

Magnetno polje tokovne tuljave

Kot rezultat poskusov je bilo mogoče ugotoviti, da je mogoče magnetno polje okoli prevodnika s tokom okrepiti, če je žica zvita v obliki spirale. Izkazalo se je nekakšna tuljava. Magnetno polje takšne tuljave je veliko večje od magnetnega polja posameznega prevodnika.

Poleg tega so magnetne silnice tuljave s tokom nameščene na podoben način kot silnice običajnega pravokotnega magneta. Tuljava ima dva pola in magnetne črte, ki se razhajajo v lokih vzdolž tuljave. Takšen magnet je mogoče kadar koli vklopiti in izklopiti, oziroma vklopiti in izklopiti tok v žicah tuljave.

Načini vplivanja na magnetne sile tuljave

Vendar se je izkazalo, da ima trenutna tuljava še druge izjemne lastnosti. Več kot je sestavljeno iz tuljave, močnejše postane magnetno polje. To vam omogoča zbiranje magnetov različnih moči. Vendar pa obstajajo enostavnejši načini vplivanja na velikost magnetnega polja.

Torej, ko se tok v žicah tuljave poveča, se moč magnetnega polja poveča in, nasprotno, ko se tok zmanjša, magnetno polje oslabi. To pomeni, da s preprosto povezavo reostata dobimo nastavljiv magnet.

Magnetno polje tuljave, po kateri teče tok, je mogoče znatno povečati z uvedbo železne palice v tuljavo. Imenuje se jedro. Uporaba jedra vam omogoča ustvarjanje zelo močnih magnetov. Na primer, v proizvodnji uporabljajo magnete, ki lahko dvignejo in zadržijo več deset ton teže. To se doseže na naslednji način.

Jedro je upognjeno v obliki loka, na obeh koncih pa sta nameščeni dve tuljavi, skozi katere teče tok. Tuljavi sta povezani s 4e žicami tako, da njuna pola sovpadata. Jedro krepi njihovo magnetno polje. Od spodaj je na to konstrukcijo pritrjena plošča s kavljem, na kateri je obešen tovor. Takšne naprave se uporabljajo v tovarnah in pristaniščih za premikanje zelo težkih tovorov. Te uteži se zlahka priklopijo in odklopijo pri vklopu in izklopu toka v tuljavah.

Elektromagneti in njihova uporaba

Elektromagneti se uporabljajo tako široko, da je morda težko poimenovati elektromehansko napravo, v kateri se ne bi uporabljali. Vrata v vhodih držijo elektromagneti.

Elektromotorji v najrazličnejših napravah pretvarjajo električno energijo v mehansko s pomočjo elektromagnetov. Zvok v zvočnikih ustvarjajo magneti. In to ni popoln seznam. Ogromno ugodnosti sodobnega življenja dolguje svoj obstoj uporabi elektromagnetov.

Če ravni prevodnik zvijemo v krog, lahko preučujemo magnetno polje krožnega toka.
Izvedimo poskus (1). Skozi karton bomo napeljali žico v obliki kroga. Na površino kartona na različnih mestih postavimo več prostih magnetnih puščic. Vklopimo tok in vidimo, da magnetne puščice v sredini tuljave kažejo isto smer, zunaj tuljave na obeh straneh pa v nasprotni smeri.
Zdaj pa ponovimo poskus (2), pri čemer spremenimo poli in s tem smer toka. Vidimo, da so magnetne puščice spremenile smer po celotni površini kartona za 180 stopinj.
Naj zaključimo: magnetne linije krožnega toka so odvisne tudi od smeri toka v vodniku.
Izvedimo poskus 3. Odstranimo magnetne puščice, vključimo električni tok in previdno nasujemo majhne železne opilke po celotni površini kartona. Dobimo sliko magnetnih silnic, ki jo imenujemo “spekter magnetnega polja”. krožnega toka«. Kako lahko v tem primeru določimo smer magnetnih silnic? Ponovno uporabimo pravilo gimlet, vendar uporabljeno za krožni tok. Če je smer vrtenja ročaja gimleta kombinirana s smerjo toka v krožnem prevodniku, potem bo smer translacijskega gibanja gimleta sovpadala s smerjo magnetnih silnic.
Razmislimo o več primerih.
1. Ravnina tuljave leži v ravnini pločevine, tok vzdolž tuljave teče v smeri urinega kazalca. Z vrtenjem tuljave v smeri urinega kazalca ugotovimo, da so magnetne silnice v središču tuljave usmerjene znotraj tuljave »proč od nas«. To je običajno označeno z znakom "+" (plus). Tisti. na sredino tuljave postavimo "+"
2. Ravnina tuljave leži v ravnini pločevine, tok vzdolž tuljave teče v nasprotni smeri urinega kazalca. Z vrtenjem tuljave v nasprotni smeri urnega kazalca ugotovimo, da magnetne silnice prihajajo iz središča tuljave "proti nam". To je običajno označeno s "∙" (pika). Tisti. v središču zavoja moramo postaviti piko ("∙").
Če ravni vodnik navijemo okoli valja, dobimo tuljavo s tokom ali solenoid.
Izvedimo poskus (4.) Za poskus uporabimo isto vezje, le žico sedaj napeljemo skozi karton v obliki tuljave. Postavimo več prostih magnetnih igel na ravnino kartona na različnih mestih: na obeh koncih tuljave, znotraj tuljave in na obeh straneh zunaj. Tuljava naj bo postavljena vodoravno (od leve proti desni). Vklopimo vezje in ugotovimo, da magnetne puščice, ki se nahajajo vzdolž osi tuljave, kažejo eno smer. Opazimo, da na desnem koncu tuljave puščica kaže, da silnice vstopijo v tuljavo, kar pomeni, da je to "južni pol" (S), na levi pa magnetna puščica kaže, da pridejo ven, to je "severni pol" (N). Na zunanji strani tuljave imajo magnetne igle nasprotno smer v primerjavi s smerjo znotraj tuljave.
Izvedimo poskus (5). V istem vezju spremenimo smer toka. Ugotovili bomo, da se je smer vseh magnetnih igel spremenila, obrnile so se za 180 stopinj. Sklepamo: smer silnic magnetnega polja je odvisna od smeri toka vzdolž zavojev tuljave.
Izvedimo poskus (6). Odstranimo magnetne puščice in vključimo vezje. Previdno nasolite karton z železnimi opilki znotraj in zunaj koluta. Dobimo sliko magnetnih silnic, ki se imenuje "spekter magnetnega polja tuljave s tokom"
Kako lahko določimo smer magnetnih silnic? Smer silnic magnetnega polja je določena s pravilom gimleta na enak način kot pri tuljavi s tokom: Če se smer vrtenja ročaja gimlet kombinira s smerjo toka v tuljavah, potem je smer translacijskega gibanje bo sovpadalo s smerjo silnic magnetnega polja znotraj solenoida. Magnetno polje solenoida je podobno magnetnemu polju trajnega paličastega magneta. Konec tuljave, iz katerega izhajajo poljske črte, bo "severni pol" (N), konec, v katerega vstopajo poljske črte, pa bo "južni pol" (S).
Po odkritju Hansa Oersteda so številni znanstveniki začeli ponavljati njegove poskuse in izumljati nove, da bi odkrili dokaze o povezavi med elektriko in magnetizmom. Francoski znanstvenik Dominique Arago je v stekleno cev postavil železno palico in nanjo navil bakreno žico, po kateri je tekel električni tok. Takoj ko je Arago sklenil električni krog, se je železna palica tako močno namagnetila, da je železne ključe pritegnila k sebi. Potrebovali smo veliko truda, da smo odstranili ključe. Ko je Arago izklopil vir energije, so ključi odpadli sami! Tako je Arago izumil prvi elektromagnet. Sodobni elektromagneti so sestavljeni iz treh delov: navitja, jedra in armature. Žice so nameščene v posebnem ovoju, ki deluje kot izolator. Večplastna tuljava je navita z žico - navitjem elektromagneta. Kot jedro se uporablja jeklena palica. Plošča, ki jo jedro privlači, se imenuje armatura. Elektromagneti se zaradi svojih lastnosti pogosto uporabljajo v industriji: hitro se razmagnetijo, ko je tok izklopljen; lahko so izdelani v različnih velikostih glede na namen; S spreminjanjem jakosti toka lahko uravnavate magnetno delovanje elektromagneta. Elektromagneti se uporabljajo v tovarnah za prenašanje izdelkov iz jekla in litega železa. Ti magneti imajo veliko dvižno silo. Elektromagneti se uporabljajo tudi v električnih zvoncih, elektromagnetnih ločilnikih, mikrofonih in telefonih. Danes smo si ogledali magnetno polje krožnega toka, tuljave s tokom. Spoznali smo elektromagnete, njihovo uporabo v industriji in narodnem gospodarstvu.