Котушки індуктивності та магнітні поля. Магнітне поле на осі короткої котушки зі струмом Як знайти магнітне поле котушки

Для концентрації магнітного поля у певній частині простору з дроту виготовляють котушку, якою пропускають струм.

Збільшення магнітної індукції поля досягається збільшенням числа витків котушки та розміщенням її на сталевому осерді, молекулярні струми якого, створюючи своє поле, збільшують результуюче поле котушки.

Мал. 3-11. Кільцева котушка.

Кільцева котушка (рис. 3-11) має w витків, рівномірно розподілених уздовж немагнітного сердечника. Поверхня, обмежена колом радіуса, що збігається з середньою магнітною лінією, пронизується повним струмом.

Внаслідок симетрії напруженість поля Н у всіх точках, що лежать на середній магнітній лінії, однакова, тому м. д. с.

За законом повного струму

звідки напруженість магнітного поля на середній магнітній лінії, що збігається з осьовою лінією кільцевої котушки,

а магнітна індукція

При магнітну індукцію на осьовій лінії з достатньою точністю можна вважати рівною середньому значенню її, і, отже, магнітний потік крізь поперечний переріз котушки

Рівнянню (3-20) можна надати форму закону Ома для магнітного ланцюга

де Ф – магнітний потік; - м. д. с.; - Опір магнітного ланцюга (сердечника).

Рівняння (3-21) аналогічно до рівняння закону Ома для електричного ланцюга, тобто магнітний потік дорівнює відношенню м. д. с. до магнітного опору ланцюга.

Мал. 3-12. Циліндрична котушка.

Циліндричну котушку (рис. 3-12) можна розглядати як частину кільцевої котушки з досить великим радіусом і з обмоткою, розташованою тільки на частині сердечника, довжина якої дорівнює довжині котушки. Напруженість поля та магнітну індукцію на осьовій лінії в центрі циліндричної котушки визначають за формулами (3-18) і (3-19), які в цьому випадку є наближеними та застосовними тільки для котушок, у яких (рис. 3-12).

Електромагнетизм - це сукупність явищ, зумовлених зв'язком електричних струмів та магнітних полів. Іноді цей зв'язок призводить до небажаних ефектів. Наприклад, струм, що протікає електричними кабелями на кораблі, викликає непотрібне відхилення суднового компаса. Однак нерідко електрика навмисно використовується для створення магнітних полів великої інтенсивності. Як приклад можна навести електромагніти. Про них ми сьогодні й поговоримо.

та магнітний потік

Інтенсивність магнітного поля можна визначити числом ліній магнітного потоку, що посідає одиницю площі. виникає всюди, де протікає електричний струм, причому магнітний потік повітря пропорційний останньому. Прямий провід, що несе струм, можна зігнути у виток. При досить малому радіусі витка це призводить до зростання магнітного потоку. При цьому сила струму не зростає.

Ефект концентрації магнітного потоку можна ще посилити, збільшуючи кількість витків, тобто скручуючи дріт у котушку. Справедливе та протилежне. Магнітне поле котушки зі струмом можна послабити, якщо зменшити кількість витків.

Виведемо важливе співвідношення. У точці максимальної щільності магнітного потоку (у ній на одиницю площі припадає найбільше ліній потоку) співвідношення між електричним струмом I, числом витків дроту n і магнітним потоком виражається так: In пропорційно В. Струм в 12 А, поточний по котушці з 3 витків , Створює таке ж магнітне поле, як і струм в 3 А, поточний по котушці з 12 витків. Це важливо знати, розв'язуючи практичні завдання.

Соленоїд

Котушка з намотаного дроту, що створює магнітне поле, називається соленоїдом. Провід можна намотувати на залізо (залізний сердечник). Підійде і немагнітна основа (наприклад, повітряний сердечник). Як ви бачите, можна використовувати не тільки залізо, щоб створити магнітне поле котушки зі струмом. З точки зору величини потоку будь-який немагнітний сердечник еквівалентний повітрі. Тобто наведене вище співвідношення, що зв'язує струм, число витків та потік, у цьому випадку виконується досить точно. Таким чином, магнітне поле котушки зі струмом можна послабити, якщо застосувати цю закономірність.

Використання заліза в соленоїді

Навіщо в соленоїді використовується залізо? Його наявність впливає на магнітне поле котушки зі струмом у двох відношеннях. Воно збільшує струм, часто в тисячі разів і більше. Однак при цьому може порушуватись одна важлива пропорційна залежність. Йдеться про ту, яка існує між магнітним потоком і струмом у котушках із повітряним сердечником.

Мікроскопічні області в залізі, домени (точніше, їх при дії магнітного поля, що створюється струмом, будуються в одному напрямку. В результаті за наявності залізного сердечника даний струм створює більший магнітний потік на одиницю перерізу дроту. Таким чином, щільність потоку суттєво зростає. Коли всі домени вишиковуються в одному напрямку, подальше збільшення струму (або числа витків у котушці) лише трохи підвищує щільність магнітного потоку.

Розкажемо тепер трохи про індукцію. Це важлива частина теми, яка нас цікавить.

Індукція магнітного поля котушки зі струмом

Хоча магнітне поле соленоїда із залізним сердечником набагато сильніше магнітного поля соленоїда з повітряним сердечником, величина його обмежена властивостями заліза. Розмір того, що створюється котушкою з повітряним сердечником, теоретично не має меж. Однак, як правило, отримувати величезні струми, необхідні для створення поля, порівнянного за величиною з полем соленоїда із залізним осердям, дуже важко і дорого. Не завжди слід іти цим шляхом.

Що буде, якщо змінити магнітне поле котушки зі струмом? Ця дія може породити електричний струм так само, як струм створює магнітне поле. При наближенні магніту до провідника магнітні силові лінії, що перетинають провідник, індукують у ньому напругу. Полярність індукованої напруги залежить від полярності та напряму зміни магнітного потоку. Цей ефект значно сильніше проявляється в котушці, ніж у окремому витку: він пропорційний числу витків в обмотці. За наявності залізного сердечника індукована напруга в соленоїді збільшується. За такого способу необхідний рух провідника щодо магнітного потоку. Якщо провідник не перетинатиме лінії магнітного потоку, напруга не виникне.

Як отримують енергію

Електричні генератори виробляють струм на основі тих самих принципів. Зазвичай магніт обертається між котушками. Величина індукованої напруги залежить від величини поля магніту та швидкості його обертання (вони визначають швидкість зміни магнітного потоку). Напруга у провіднику прямо пропорційна швидкості магнітного потоку в ньому.

У багатьох генераторах магніт замінено соленоїдом. Для того щоб створити магнітне поле котушки зі струмом, соленоїд підключають до Якої в цьому випадку буде електрична потужність, що виробляється генератором? Вона дорівнює добутку напруги на силу струму. З іншого боку, взаємозв'язок струму у провіднику та магнітного потоку дозволяє використовувати потік, створюваний електричним струмом у магнітному полі, для отримання механічного руху. За цим принципом працюють електродвигуни та деякі електровимірювальні прилади. Однак для створення руху в них необхідно витрачати додаткову електричну потужність.

Сильні магнітні поля

В даний час, використовуючи вдається отримувати небаченої інтенсивності магнітне поле котушки зі струмом. Електромагніти можуть бути дуже сильними. У цьому струм протікає без втрат, т. е. не викликає нагрівання матеріалу. Це дозволяє застосовувати велику напругу в соленоїдах з повітряним сердечником і уникнути обмежень, зумовлених ефектом насичення. Дуже великі перспективи відкриває таке потужне магнітне поле котушки зі струмом. Електромагніти та їх застосування не дарма цікавлять безліч вчених. Адже сильні поля можуть використовуватися для руху на магнітній «подушці» та створення нових видів електродвигунів та генераторів. Вони здатні високу потужність за малої вартості.

Енергія магнітного поля котушки зі струмом активно використовується людством. Вона вже багато років широко застосовується, зокрема на залізницях. Про те, як використовуються магнітні лінії поля котушки зі струмом для регулювання руху поїздів, ми зараз і поговоримо.

Магніти на залізницях

На залізницях зазвичай застосовуються системи, у яких з метою більшої безпеки електромагніти та постійні магніти доповнюють одна одну. Які ж діють ці системи? Сильний прикріплюють впритул до рейки на певній відстані від світлофорів. Під час проходження поїзда над магнітом вісь постійного плоского магніту в кабіні машиніста повертається на малий кут, після чого магніт залишається у новому положенні.

Регулювання руху на залізниці

Рух плоского магніту включає сигнальний дзвінок чи сирену. Далі відбувається таке. За кілька секунд кабіна машиніста проходить над електромагнітом, який пов'язаний зі світлофором. Якщо той дає поїзду зелену вулицю, то електромагніт виявляється під напругою і вісь постійного магніту у вагоні повертається у своє початкове положення, вимикаючи сигнал у кабіні. Коли на світлофорі горить червоне або жовте світло, електромагніт буває вимкнений, і тоді після деякої затримки автоматично вмикається гальмо, якщо, звичайно, це забув зробити машиніст. Гальмівне коло (як і звуковий сигнал) підключається до мережі з моменту повороту осі магніту. Якщо магніт під час затримки повертається в початкове положення, то гальмо не вмикається.

Створює навколо себе магнітне поле. Людина не була б собою, якби не придумала, як використовувати таку чудову властивість струму. На основі цього явища людина створила електромагніти.

Їхнє застосування дуже широко і повсюдно в сучасному світі. Електромагніти чудові тим, що на відміну від постійних магнітів, їх можна включати та вимикати за необхідності, а також змінювати силу магнітного поля навколо них. Яким чином використовуються магнітні властивості струму? Як створюються та використовуються електромагніти?

Магнітне поле котушки зі струмом

В результаті експериментів вдалося з'ясувати, що магнітне поле навколо провідника зі струмом можна посилити, якщо згорнути провід у формі спіралі. Виходить свого роду котушка. Магнітне поле такої котушки набагато більше магнітного поля самотнього провідника.

Причому силові лінії магнітного поля котушки зі струмом розташовуються схожим чином із силовими лініями звичайного прямокутного магніту. Котушка має два полюси та дугами розбіжні магнітні лінії вздовж котушки. Такий магніт можна будь-якої миті включити і вимкнути, відповідно, включаючи і вимикаючи струм у проводах котушки.

Способи впливу на магнітні сили котушки

Проте виявилося, що котушка зі струмом має й інші чудові властивості. Чим із більшої кількості витків складається котушка, тим сильнішим стає магнітне поле. Це дозволяє збирати магніти різної сили дії. Однак є простіші способи впливу на величину магнітного поля.

Так, зі збільшенням сили струму у проводах котушки зростає сила магнітного поля, і, навпаки, зі зменшенням сили струму, магнітне поле слабшає. Тобто, при елементарному підключенні реостату ми отримуємо регульований магніт.

Магнітне поле котушки зі струмом можна значно посилити, ввівши всередину спіралі залізний стрижень. Він називається сердечником. Застосування сердечника дозволяє створювати дуже сильні магніти. Наприклад, у виробництві використовують магніти, здатні піднімати та утримувати кілька десятків тонн ваги. Це досягається так.

Сердечник вигинають як дуги, але в два його кінця надягають дві котушки, якими пускають струм. Котушки з'єднують проводами так, що їх полюси збігаються. Серце посилює їх магнітне поле. Знизу до цієї конструкції підводять пластину з гаком, який підвішують вантаж. Подібні пристрої використовують на заводах та портах для того, щоб переміщати вантажі дуже великої ваги. Ці вантажі легко підключаються та від'єднуються при включенні та відключенні струму в котушках.

Електромагніти та їх застосування

Електромагніти використовують настільки повсюдно, що, мабуть, важко назвати електромеханічний прилад, у якому вони не застосовувалися. Двері у під'їздах утримуються електромагнітами.

Електродвигуни різних пристроїв перетворять електричну енергію в механічну за допомогою електромагнітів. Звук у колонках створюється за допомогою магнітів. І це далеко не повний перелік. Величезна кількість зручностей сучасного життя має своє існування використання електромагнітів.

Якщо прямий провідник згорнути у вигляді кола, можна дослідити магнітне поле кругового струму.
Проведемо досвід (1). Провід у вигляді кола пропустимо через картон. Помістимо кілька вільних магнітних стрілок на поверхні картону у різних точках. Включимо струм і бачимо, що магнітні стрілочки в центрі витка показують напрямок однаковий, а поза витоком з обох сторін в іншу сторону.
Тепер повторимо досвід (2), змінивши полюси, а значить і напрямок струму. Бачимо, що магнітні стрілочки змінили напрямок на всій поверхні картону на 180 градусів.
Зробимо висновок: магнітні лінії кругового струму залежать від напрямку струму в провіднику.
Проведемо досвід 3. Приберемо магнітні стрілочки, включимо електричний струм і обережно по всій поверхні картону насипаємо дрібну залізну тирсу. У нас вийшла картина магнітних силових ліній, яка називається «спектр магнітного поля кругового струму». Як же у цьому випадку визначити напрямок магнітних силових ліній? Знову застосуємо правило свердловина, але у застосуванні до кругового струму. Якщо напрямок обертання ручки буравчика поєднати з напрямком струму в круговому провіднику, то напрям поступального руху буравчика буде збігатися з напрямком магнітних силових ліній.
Розглянемо кілька випадків.
1. Площина витка лежить у площині листа, струм по витку йде за годинниковою стрілкою. Повертаючи виток за годинниковою стрілкою, ми визначаємо, що магнітні силові лінії в центрі витка спрямовані всередину витка «від нас». Це умовно позначається знаком "+" (плюс). Тобто. у центрі витка ми ставимо «+»
2. Площина витка лежить у площині листа, струм по витку йде проти годинникової стрілки. Повертаючи виток проти годинникової стрілки, ми визначаємо, що магнітні силові лінії виходять із цента витка «до нас». Це умовно позначається ∙ (точкою). Тобто. у центі витка ми маємо поставити крапку («∙»).
Якщо прямий провідник намотати на циліндр, то вийде котушка зі струмом або соленоїд.
Проведемо досвід (4.) Використовуємо для досвіду той самий ланцюг, тільки провід тепер пропущений через картон як котушки. Розташуємо кілька вільних магнітних стрілок на площині картону в різних точках: в обох кінців котушки, всередині котушки та з обох боків зовні. Нехай котушка розташована горизонтально (у напрямку «ліворуч – праворуч»). Включимо ланцюг і виявимо, що магнітні стрілки, розташовані по осі котушки, показують один напрямок. Зазначаємо, що з правого кінця котушки стрілка показує, що силові лінії входять у котушку, отже - це «південний полюс» (S), а лівому магнітна стрілка показує, що виходять, це «північний полюс» (N). Зовні котушки магнітні стрілки мають протилежний напрямок у порівнянні з напрямком усередині котушки.
Проведемо досвід (5). У цьому ж ланцюзі поміняємо напрямок струму. Виявимо, що напрямок всіх магнітних стрілок змінився, вони повернулися на 180 градусів. Робимо висновок: напрямок магнітних силових ліній залежить від напрямку струму по витках котушки.
Проведемо досвід (6). Приберемо магнітні стрілки та включимо ланцюг. Обережно «посолимо залізною тирсою» картон усередині та зовні котушки. Отримаємо картину магнітних силових ліній, яка називається «спектр магнітного поля котушки зі струмом»
А як визначити напрямок магнітних силових ліній? Напрямок магнітних силових ліній визначається за правилом буравчика так само, як і для витка зі струмом: Якщо напрям обертання ручки буравчика поєднати з напрямком струму у витках, то напрям поступального руху збігатиметься з напрямком магнітних силових ліній усередині соленоїда. Магнітне поле соленоїда схоже магнітне поле постійного смугового магніту. Той кінець котушки, з якого виходять силові лінії, буде «північним полюсом» (N), а той, до якого входять силові лінії – «південним полюсом» (S).
Після відкриття Ганса Ерстеда багато вчених почали повторювати його досліди, вигадуючи нові, щоб виявити докази зв'язку електрики та магнетизму. Французький вчений Домінік Араго помістив залізний стрижень, у скляну трубку і поверх неї намотав мідний дріт, яким пропустив електричний струм. Як тільки Араго замкнув електричний ланцюг, стрижень із заліза так сильно намагнітився, що притяг до себе залізні ключі. Щоб відірвати ключі, довелося докласти значних зусиль. Коли Араго відключив джерело струму, ключі відвалилися самі! Так Араго винайшов перший електромагніт. Сучасні електромагніти складаються з трьох частин: обмотки, сердечника та якоря. Провід поміщають у спеціальну оболонку, яка відіграє роль ізолятора. Проводом намотують багатошарову котушку – обмотку електромагніту. Як осердя використовують сталевий стрижень. Пластина, яка притягується до осердя, називається якорем. Електромагніти набули широкого застосування в промисловості завдяки їх властивостям: вони швидко розмагнічуються при виключенні струму; їх можна виготовляти різних розмірів залежно від призначення; змінюючи силу струму можна регулювати магнітну дію електромагніту. Електромагніти застосовуються на заводах для перенесення виробів із сталі та чавуну. Ці магніти мають більшу підйомну силу. Застосовуються електромагніти також у електричному дзвінку, електромагнітних сепараторах, мікрофонах, телефонах. Сьогодні ми розглянули магнітне поле кругового струму, котушки зі струмом. Познайомилися з електромагнітами, їх застосуванням у промисловості та у народному господарстві.