İndüktörler ve manyetik alanlar. Akımlı kısa bir bobinin eksenindeki manyetik alan Bir bobinin manyetik alanı nasıl bulunur?

Manyetik alanı uzayın belirli bir kısmında yoğunlaştırmak için içinden akım geçen bir telden bir bobin yapılır.

Alanın manyetik indüksiyonunda bir artış, bobinin dönüş sayısını artırarak ve onu çelik bir çekirdeğe yerleştirerek elde edilir; moleküler akımları kendi alanlarını oluşturarak bobinin ortaya çıkan alanını arttırır.

Pirinç. 3-11. Halka bobini.

Bir halka bobin (Şekil 3-11), manyetik olmayan bir çekirdek boyunca eşit olarak dağıtılmış w dönüşe sahiptir. Ortalama manyetik çizgiye denk gelen yarıçaplı bir daire ile sınırlanan yüzey, tam bir akım tarafından delinir.

Simetri nedeniyle, ortalama manyetik çizgi üzerinde yer alan tüm noktalardaki alan kuvveti H aynıdır, dolayısıyla ppm'dir.

Toplam akım kanununa göre

dolayısıyla halka bobinin merkez çizgisiyle çakışan ortalama manyetik çizgideki manyetik alan kuvveti,

ve manyetik indüksiyon

Merkez çizgideki manyetik indüksiyon, ortalama değerine eşit ve dolayısıyla bobinin kesiti boyunca manyetik akı yeterli doğrulukla değerlendirilebildiğinde

Denklem (3-20), manyetik bir devre için Ohm kanunu şeklinde verilebilir.

burada Ф manyetik akıdır; - m.d.s.; - manyetik devrenin (çekirdek) direnci.

Denklem (3-21), bir elektrik devresi için Ohm yasasının denklemine benzer, yani manyetik akı ppm oranına eşittir. devrenin manyetik direncine bağlıdır.

Pirinç. 3-12. Silindirik bobin.

Silindirik bobin (Şekil 3-12), yeterince büyük bir yarıçapa sahip ve sargının yalnızca uzunluğu bobinin uzunluğuna eşit olan çekirdeğin bir kısmında yer alan bir halka bobinin parçası olarak düşünülebilir. Silindirik bobinin merkezindeki eksenel çizgi üzerindeki alan kuvveti ve manyetik indüksiyon, bu durumda yaklaşık olan ve yalnızca (Şekil 3-) olan bobinler için geçerli olan formüller (3-18) ve (3-19) ile belirlenir. 12).

Elektromanyetizma, elektrik akımlarının ve manyetik alanların bağlantısından kaynaklanan bir dizi olaydır. Bazen bu bağlantı istenmeyen sonuçlara yol açabilir. Örneğin bir gemideki elektrik kablolarından geçen akım, geminin pusulasının gereksiz yere sapmasına neden olur. Ancak elektrik genellikle yüksek yoğunluklu manyetik alanlar oluşturmak için bilinçli olarak kullanılır. Bir örnek elektromıknatıslardır. Bugün onlardan bahsedeceğiz.

ve manyetik akı

Manyetik alanın yoğunluğu, birim alan başına manyetik akı çizgilerinin sayısı ile belirlenebilir. elektrik akımının aktığı her yerde meydana gelir ve havadaki manyetik akı ikincisiyle orantılıdır. Akım taşıyan düz bir tel bir bobin şeklinde bükülebilir. Bobinin yeterince küçük bir yarıçapı ile bu, manyetik akıda bir artışa yol açar. Bu durumda akım gücü artmaz.

Manyetik akı konsantrasyonunun etkisi, dönüş sayısı artırılarak, yani telin bir bobin şeklinde bükülmesiyle daha da artırılabilir. Bunun tersi de doğrudur. Akım taşıyan bir bobinin manyetik alanı, sarım sayısı azaltılarak zayıflatılabilir.

Önemli bir ilişki türetelim. Maksimum manyetik akı yoğunluğunun olduğu noktada (birim alan başına en fazla akı çizgisinin olduğu yerde), elektrik akımı I, telin sarım sayısı n ve manyetik akı B arasındaki ilişki şu şekilde ifade edilir: In orantılıdır B'ye. 3 sarımlı bir bobinden akan 12 A'lık bir akım, 12 sarımlı bir bobinden akan 3 A'lık akımla tamamen aynı manyetik alanı yaratır. Pratik problemleri çözerken bunu bilmek önemlidir.

Solenoid

Manyetik alan oluşturan sarılı tel bobine solenoid denir. Teller demirin (demir çekirdek) etrafına sarılabilir. Manyetik olmayan bir taban (örneğin bir hava çekirdeği) de uygundur. Gördüğünüz gibi, akım taşıyan bir bobinin manyetik alanını oluşturmak için demirden daha fazlasını kullanabilirsiniz. Akı büyüklüğü açısından, manyetik olmayan herhangi bir çekirdek havaya eşdeğerdir. Yani, akımı, sarım sayısını ve akıyı birbirine bağlayan yukarıdaki ilişki bu durumda oldukça doğru bir şekilde karşılanmaktadır. Dolayısıyla, bu prensibin uygulanması halinde akım taşıyan bir bobinin manyetik alanı zayıflatılabilir.

Solenoidde demir kullanımı

Solenoidde demir ne için kullanılır? Varlığı, akım taşıyan bobinin manyetik alanını iki şekilde etkiler. Akımı genellikle binlerce kat veya daha fazla artırır. Ancak bu, önemli bir orantılı ilişkiyi ihlal edebilir. Hava çekirdekli bobinlerde manyetik akı ile akım arasında var olandan bahsediyoruz.

Demirdeki mikroskobik bölgeler, alanlar (daha kesin olarak, bir akımın yarattığı manyetik alanın etkisi altında tek yönde inşa edilirler. Sonuç olarak, bir demir çekirdeğin varlığında bu akım, başına daha büyük bir manyetik akı oluşturur. Telin birim kesiti Böylece akı yoğunluğu önemli ölçüde artar. Tüm alanlar aynı yönde sıralandığında, akımdaki (veya bobindeki sarım sayısındaki) daha fazla artış, manyetik akı yoğunluğunu yalnızca biraz artırır.

Şimdi biraz indüksiyondan bahsedelim. Bu bizi ilgilendiren konunun önemli bir kısmı.

Bir akım bobininin manyetik alan indüksiyonu

Demir çekirdekli bir solenoidin manyetik alanı, hava çekirdekli bir solenoidin manyetik alanından çok daha güçlü olmasına rağmen, büyüklüğü demirin özellikleriyle sınırlıdır. Hava çekirdekli bobinin yarattığı boyutun teorik olarak bir sınırı yoktur. Bununla birlikte, demir çekirdekli bir solenoidinkine benzer büyüklükte bir alan üretmek için gereken muazzam akımları elde etmek genellikle çok zor ve pahalıdır. Her zaman bu yola gitmek zorunda değilsiniz.

Akım taşıyan bir bobinin manyetik alanını değiştirirseniz ne olur? Bu eylem, bir akımın manyetik alan yaratmasıyla aynı şekilde bir elektrik akımı yaratabilir. Bir mıknatıs bir iletkene yaklaştığında, iletkenden geçen manyetik alan çizgileri iletkende bir gerilime neden olur. İndüklenen voltajın polaritesi, manyetik akının polaritesine ve değişim yönüne bağlıdır. Bu etki, bir bobinde tek bir sarımdan çok daha güçlüdür: sarımdaki sarım sayısıyla orantılıdır. Demir çekirdeğin varlığında solenoidde indüklenen voltaj artar. Bu yöntemle iletkenin manyetik akıya göre hareket ettirilmesi gerekir. İletken manyetik akı çizgilerini geçmezse gerilim oluşmaz.

Enerjiyi nasıl elde ederiz?

Elektrik jeneratörleri de aynı prensiplere göre akım üretirler. Tipik olarak mıknatıs bobinler arasında döner. İndüklenen voltajın büyüklüğü, mıknatıs alanının büyüklüğüne ve dönme hızına bağlıdır (manyetik akının değişim hızını belirlerler). Bir iletkendeki voltaj, içindeki manyetik akının hızıyla doğru orantılıdır.

Birçok jeneratörde mıknatısın yerini solenoid alır. Akım taşıyan bir bobinde manyetik alan oluşturmak için solenoide bağlanır. Bu durumda jeneratörün ürettiği elektrik gücü ne olacaktır? Gerilim ve akımın çarpımına eşittir. Öte yandan, bir iletkendeki akım ile manyetik akı arasındaki ilişki, elektrik akımının manyetik alanda yarattığı akının mekanik hareket üretmek için kullanılmasına olanak tanır. Elektrik motorları ve bazı elektrikli ölçüm aletleri bu prensiple çalışır. Ancak içlerinde hareket yaratmak için ek elektrik gücü harcamak gerekir.

Güçlü manyetik alanlar

Şu anda, bir bobinin manyetik alanının akımla benzeri görülmemiş bir yoğunluğunu kullanarak elde etmek mümkündür. Elektromıknatıslar çok güçlü olabilir. Bu durumda akım kayıpsız akar, yani malzemenin ısınmasına neden olmaz. Bu, hava çekirdekli solenoidlere yüksek voltaj uygulanmasına olanak tanır ve doyma sınırlamalarını ortadan kaldırır. Akım taşıyan bir bobinin böylesine güçlü bir manyetik alanı, çok büyük umutlar doğurur. Elektromıknatıslar ve uygulamaları birçok bilim insanının haklı sebeplerden dolayı ilgisini çekmektedir. Sonuçta, güçlü alanlar manyetik bir havada hareket etmek ve yeni tipte elektrik motorları ve jeneratörler yaratmak için kullanılabilir. Düşük maliyetle yüksek güç üretme kapasitesine sahiptirler.

Bir akım bobininin manyetik alanının enerjisi insanlık tarafından aktif olarak kullanılmaktadır. Uzun yıllardan beri özellikle demiryollarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Şimdi trenlerin hareketini düzenlemek için akım taşıyan bir bobinin manyetik alan çizgilerinin nasıl kullanıldığına değineceğiz.

Demiryollarındaki mıknatıslar

Demiryolları genellikle daha fazla güvenlik için elektromıknatısların ve kalıcı mıknatısların birbirini tamamladığı sistemleri kullanır. Bu sistemler nasıl çalışıyor? Güçlü olan, trafik ışıklarından belli bir mesafede raya yakın bir yere bağlanır. Tren mıknatısın üzerinden geçerken makinist kabinindeki kalıcı düz mıknatısın ekseni küçük bir açıyla döner ve ardından mıknatıs yeni konumunda kalır.

Demiryolu trafiğinin düzenlenmesi

Düz bir mıknatısın hareketi bir alarm zilini veya sireni tetikler. Sonra aşağıdakiler olur. Birkaç saniye sonra sürücü kabini trafik ışığına bağlı olan elektromıknatısın üzerinden geçiyor. Trene yeşil ışık verirse elektromıknatısa enerji verilir ve kabindeki kalıcı mıknatısın ekseni orijinal konumuna dönerek kabindeki sinyali kapatır. Trafik ışığı kırmızı veya sarı olduğunda, elektromıknatıs kapatılır ve belirli bir gecikmeden sonra, tabii ki sürücü bunu yapmayı unutmadığı sürece, fren otomatik olarak uygulanır. Fren devresi (ses sinyalinin yanı sıra) mıknatıs ekseninin döndüğü andan itibaren ağa bağlanır. Gecikme sırasında mıknatıs orijinal konumuna dönerse fren devreye girmez.

Kendi çevresinde manyetik alan oluşturur. Bir kişi, akımın bu kadar harika bir özelliğini nasıl kullanacağını anlamasaydı kendisi olmazdı. Bu olguya dayanarak insan elektromıknatısları yarattı.

Modern dünyada kullanımları çok geniş ve her yerde mevcuttur. Elektromıknatıslar, kalıcı mıknatıslardan farklı olarak gerektiğinde açılıp kapatılabilmeleri ve etraflarındaki manyetik alanın şiddetinin değiştirilebilmesi nedeniyle dikkat çekicidir. Akımın manyetik özellikleri nasıl kullanılır? Elektromıknatıslar nasıl oluşturulur ve kullanılır?

Akım bobininin manyetik alanı

Deneyler sonucunda, akım taşıyan bir iletkenin etrafındaki manyetik alanın, telin spiral şeklinde sarılması durumunda güçlendirilebileceğini bulmak mümkün olmuştur. Bir çeşit bobin olduğu ortaya çıktı. Böyle bir bobinin manyetik alanı, tek bir iletkenin manyetik alanından çok daha büyüktür.

Üstelik akım taşıyan bobinin manyetik alan çizgileri, geleneksel dikdörtgen mıknatısın alan çizgilerine benzer şekilde konumlandırılmıştır. Bobinin iki kutbu ve bobin boyunca yaylar halinde ayrılan manyetik çizgileri vardır. Böyle bir mıknatıs, bobin tellerindeki akımı açıp kapatarak sırasıyla herhangi bir zamanda açılıp kapatılabilir.

Bir bobinin manyetik kuvvetlerini etkilemenin yolları

Ancak mevcut bobinin başka dikkat çekici özelliklere sahip olduğu ortaya çıktı. Bobin ne kadar çok dönüşten oluşursa, manyetik alan da o kadar güçlü olur. Bu, farklı güçlerdeki mıknatısları toplamanıza olanak tanır. Ancak manyetik alanın büyüklüğünü etkilemenin daha basit yolları vardır.

Yani bobin tellerindeki akım arttığında manyetik alanın gücü artar ve tam tersine akım azaldığında manyetik alan zayıflar. Yani, reostatın basit bir bağlantısıyla ayarlanabilir bir mıknatıs elde ederiz.

Akım taşıyan bir bobinin manyetik alanı, bobinin içine bir demir çubuk yerleştirilerek önemli ölçüde artırılabilir. Buna çekirdek denir. Bir çekirdeğin kullanılması çok güçlü mıknatıslar oluşturmanıza olanak tanır. Örneğin üretimde onlarca ton ağırlığı kaldırabilen ve tutabilen mıknatıslar kullanılıyor. Bu şu şekilde elde edilir.

Çekirdek yay şeklinde bükülür ve iki ucuna içinden akımın geçtiği iki bobin konur. Bobinler, kutupları çakışacak şekilde 4e tellerle bağlanır. Çekirdek manyetik alanını arttırır. Yükün asıldığı bu yapıya alttan kancalı bir plaka takılmıştır. Bu tür cihazlar fabrikalarda ve limanlarda çok ağır yüklerin taşınmasında kullanılmaktadır. Bu ağırlıklar, bobinlerdeki akımın açılıp kapatılması sırasında kolaylıkla takılıp çıkarılabilir.

Elektromıknatıslar ve uygulamaları

Elektromıknatıslar o kadar yaygın olarak kullanılmaktadır ki, kullanılmadıkları bir elektromekanik cihazı adlandırmak belki de zordur. Girişlerdeki kapılar elektromıknatıslarla tutulmaktadır.

Çok çeşitli cihazlardaki elektrik motorları, elektromıknatısları kullanarak elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürür. Hoparlörlerdeki ses mıknatıslar kullanılarak oluşturulur. Ve bu tam bir liste değil. Modern yaşamın çok sayıda kolaylığı, varlığını elektromıknatısların kullanımına borçludur.

Düz bir iletken bir daire şeklinde yuvarlanırsa, dairesel akımın manyetik alanı incelenebilir.
Deneyi (1) gerçekleştirelim. Teli kartonun içinden daire şeklinde geçireceğiz. Kartonun yüzeyinde çeşitli noktalara birkaç adet serbest manyetik ok yerleştirelim. Akımı açalım ve bobinin ortasındaki manyetik okların aynı yönü, bobinin dışında ise her iki taraftaki manyetik okların ters yönde olduğunu görelim.
Şimdi kutupları ve dolayısıyla akımın yönünü değiştirerek deney (2)'yi tekrarlayalım. Manyetik okların kartonun tüm yüzeyinde 180 derece yön değiştirdiğini görüyoruz.
Şu sonuca varalım: Dairesel akımın manyetik çizgileri aynı zamanda iletkendeki akımın yönüne de bağlıdır.
Deney 3'ü gerçekleştirelim. Manyetik okları çıkarın, elektrik akımını açın ve kartonun tüm yüzeyine dikkatlice küçük demir talaşlarını dökün. "Manyetik alan spektrumu" adı verilen manyetik kuvvet çizgilerinin bir resmini elde ederiz. dairesel bir akımın” Bu durumda manyetik alan çizgilerinin yönünü nasıl belirleyebiliriz? Gimlet kuralını tekrar uyguluyoruz ancak dairesel bir akıma uyguluyoruz. Eğer jiletin sapının dönme yönü dairesel iletkendeki akımın yönü ile birleştirilirse, jiletin öteleme hareketinin yönü manyetik kuvvet çizgilerinin yönüyle çakışacaktır.
Birkaç durumu ele alalım.
1. Bobinin düzlemi tabakanın düzleminde yer alır, bobin boyunca akım saat yönünde akar. Bobini saat yönünde döndürerek, bobinin merkezindeki manyetik kuvvet çizgilerinin bobinin içine "bizden uzağa" yönlendirildiğini belirleriz. Bu geleneksel olarak “+” (artı) işaretiyle gösterilir. Onlar. bobinin ortasına “+” koyduk
2. Bobinin düzlemi tabakanın düzleminde yer alır, bobin boyunca akım saat yönünün tersine akar. Bobini saat yönünün tersine çevirerek manyetik kuvvet çizgilerinin bobinin merkezinden “bize doğru” çıktığını belirliyoruz. Bu geleneksel olarak “∙” (nokta) ile gösterilir. Onlar. dönüşün ortasına bir nokta (“∙”) koymalıyız.
Bir silindirin etrafına düz bir iletken sarılırsa, akımlı bir bobin veya bir solenoid elde edilir.
Deneyi yapalım (4.) Deney için aynı devreyi kullanıyoruz, artık sadece tel kartonun içinden bobin şeklinde geçiriliyor. Kartonun düzlemi üzerinde farklı noktalara birkaç serbest manyetik iğne yerleştirelim: bobinin her iki ucuna, bobinin içine ve her iki dış tarafına. Bobinin yatay olarak (soldan sağa yönde) konumlandırılmasına izin verin. Devreyi açalım ve bobinin ekseni boyunca yer alan manyetik okların tek yön gösterdiğini bulalım. Bobinin sağ ucundaki okun, kuvvet çizgilerinin bobine girdiğini gösterdiğini, yani buranın “güney kutbu” (S) olduğunu, soldaki manyetik okun ise bu çizgilerin dışarı çıktığını gösterdiğini not ediyoruz. “kuzey kutbu” (N). Bobinin dışındaki manyetik iğneler, bobinin içindeki yöne göre ters yöndedir.
Deneyi (5) gerçekleştirelim. Aynı devrede akımın yönünü değiştirelim. Tüm manyetik iğnelerin yönünün değiştiğini, 180 derece döndüğünü göreceğiz. Sonuç olarak: manyetik alan çizgilerinin yönü, bobinin dönüşleri boyunca akımın yönüne bağlıdır.
Deneyi (6) gerçekleştirelim. Manyetik okları çıkarıp devreyi açalım. Makaranın içindeki ve dışındaki kartonu demir talaşlarıyla dikkatlice tuzlayın. “Akımlı bir bobinin manyetik alanının spektrumu” olarak adlandırılan manyetik alan çizgilerinin bir resmini elde ediyoruz.
Manyetik alan çizgilerinin yönünü nasıl belirleyebiliriz? Manyetik alan çizgilerinin yönü, akımlı bir bobinde olduğu gibi, burgu kuralıyla belirlenir: Eğer burgu sapının dönme yönü, bobinlerdeki akımın yönü ile birleştirilirse, o zaman öteleme yönü hareket solenoidin içindeki manyetik alan çizgilerinin yönü ile çakışacaktır. Bir solenoidin manyetik alanı, kalıcı bir çubuk mıknatısın manyetik alanına benzer. Bobinin alan çizgilerinin çıktığı ucu “kuzey kutbu” (N), alan çizgilerinin girdiği ucu ise “güney kutbu” (S) olacaktır.
Hans Oersted'in keşfinden sonra birçok bilim adamı, elektrik ve manyetizma arasındaki bağlantının kanıtlarını keşfetmek için onun deneylerini tekrarlamaya ve yenilerini icat etmeye başladı. Fransız bilim adamı Dominique Arago, bir cam tüpün içine demir bir çubuk yerleştirdi ve üzerine elektrik akımının geçtiği bakır bir tel sardı. Arago elektrik devresini kapatır kapatmaz demir çubuk o kadar güçlü bir şekilde mıknatıslandı ki demir anahtarları kendine çekti. Anahtarları çıkarmak çok çaba gerektirdi. Arago güç kaynağını kapattığında anahtarlar kendiliğinden düştü! Böylece Arago ilk elektromıknatısı icat etti. Modern elektromıknatıslar üç bölümden oluşur: sargı, çekirdek ve armatür. Teller, yalıtkan görevi gören özel bir kılıf içine yerleştirilmiştir. Çok katmanlı bir bobin, bir elektromıknatısın sarımı olan tel ile sarılır. Çekirdek olarak çelik bir çubuk kullanılır. Çekirdeğe çekilen plakaya armatür denir. Elektromıknatıslar, özellikleri nedeniyle endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır: akım kesildiğinde hızla manyetikliği giderirler; amaca bağlı olarak çeşitli boyutlarda yapılabilirler; Akım gücünü değiştirerek elektromıknatısın manyetik hareketini düzenleyebilirsiniz. Elektromıknatıslar fabrikalarda çelik ve dökme demir ürünlerinin taşınmasında kullanılmaktadır. Bu mıknatıslar büyük bir kaldırma kuvvetine sahiptir. Elektromıknatıslar ayrıca elektrikli zillerde, elektromanyetik ayırıcılarda, mikrofonlarda ve telefonlarda da kullanılır. Bugün dairesel bir akımın manyetik alanına, akımlı bobinlere baktık. Elektromıknatısları, sanayideki kullanımlarını ve ülke ekonomisini tanıdık.