Induktori i magnetska polja

Nakon priče o upotrebi kondenzatora Bilo bi logično razgovarati o još jednom predstavniku pasivnih radioelemenata - induktorima. Ali priča o njima morat će započeti izdaleka, sjetiti se postojanja magnetskog polja, jer magnetsko polje koje okružuje i prodire u zavojnice, to je u magnetskom polju, najčešće naizmjenično, da zavojnice djeluju. Ukratko, ovo im je stanište.

Magnetizam kao svojstvo materije

Magnetizam je jedno od najvažnijih svojstava materije, kao i, na primjer, masa ili električno polje. Fenomen magnetizma, međutim, kao i električna energija, bio je poznat već duže vrijeme, tek tada znanost nije mogla objasniti suštinu tih pojava. Nerazumljiv fenomen nazvan je "magnetizam" po nazivu grada Magnezije koji je nekada bio u Maloj Aziji. Upravo se iz rude izkopane u blizini dobivaju trajni magneti.

Ali trajni magneti u okviru ovog članka nisu osobito zanimljivi. Čim je obećano razgovarati o induktorima, tada ćemo najvjerojatnije govoriti o elektromagnetizmu, jer daleko je od tajne da čak i oko žice sa strujom postoji magnetsko polje.

U modernim je uvjetima prilično lako istražiti fenomen magnetizma na početnoj, barem, razini. Da biste to učinili, morate sastaviti jednostavan električni krug iz baterije i žarulje za svjetiljku. Kao pokazatelj magnetskog polja, njegovog smjera i intenziteta, možete koristiti uobičajeni kompas.

DC magnetsko polje

Kao što znate, kompas pokazuje smjer prema sjeveru. Ako postavite žice najjednostavnijeg navedenog kruga i uključite svjetlo, igla kompasa će malo odstupiti od svog normalnog položaja.

Spajajući drugu žarulju paralelno, možete udvostručiti struju u krugu, zbog čega se kut rotacije strelice malo povećava. To sugerira da je magnetsko polje žice sa strujom postalo veće. Upravo na tom principu rade instrumenti za mjerenje strelica.

Ako se polaritet uključivanja baterije preokrene, tada će se igla kompasa okrenuti na drugi kraj - smjer magnetskog polja u žicama također se mijenjao u smjeru. Kad se krug isključi, igla za kompas vratit će se u pravilan položaj. U zavojnici nema struje i nema magnetskog polja.

U svim tim eksperimentima kompas ima ulogu ispitne magnetske igle, baš kao što se ispitivanje konstantnog električnog polja izvodi pomoću električnog naboja.

Na temelju tako jednostavnih eksperimenata možemo zaključiti da se magnetizam rađa zbog električne struje: što je jača ova struja, to su jača magnetska svojstva vodiča. I odakle dolazi magnetsko polje stalnih magneta, jer nitko nije povezao bateriju sa žicama?

Temeljna znanstvena istraživanja dokazala su da se trajni magnetizam temelji na električnim pojavama: svaki elektron je u svom električnom polju i ima elementarna magnetska svojstva. Samo u većini tvari ta se svojstva međusobno neutraliziraju i iz nekog razloga iz jednog razloga čine jedan veliki magnet.

Naravno, zapravo sve nije tako primitivno i jednostavno, ali, općenito, čak i stalni magneti imaju svoja prekrasna svojstva zbog kretanja električnih naboja.

A kakve su to magnetske linije?

Magnetske linije mogu se vidjeti vizualno. U školskom iskustvu, na satovima fizike metalni se fileti izlivaju na list kartona, a ispod se nalazi trajni magnet. Laganim tapkanjem po kartonu možete postići sliku prikazanu na slici 1.

Slika 1

Lako je vidjeti da magnetske crte sila napuštaju sjeverni pol i ulaze na južni, ne razbijajući se. Naravno, možemo reći da je, naprotiv, od juga do sjevera, ali tako je uobičajeno, dakle, od sjevera do juga. Na isti način kao što su jednom usvojili smjer struje od plus-a do minus.

Ako se umjesto stalnog magneta strujna žica prođe kroz karton, tada će se prikazati metalni ulošci, dirigent, magnetsko polje. To magnetsko polje ima oblik koncentričnih kružnih linija.

Da biste proučili magnetsko polje, možete učiniti bez piljevine. Dovoljno je pomicati ispitnu magnetsku strelicu oko strujnog vodiča da vidimo da su magnetske sile doista zatvoreni koncentrični krugovi. Ako testnu strelicu pomaknemo na stranu gdje magnetsko polje odbije, sigurno ćemo se vratiti na istu točku odakle je kretanje započelo. Slično kao i hodanje oko Zemlje: ako ne krenete nigdje bez skretanja, prije ili kasnije doći ćete na isto mjesto.

Slika 2

Gimlet pravilo

Smjer magnetskog polja vodiča sa strujom određuje se pravilom gimleta, alata za bušenje rupa u drvetu. Ovdje je sve vrlo jednostavno: cilindar se mora zakrenuti tako da se njegovo translacijsko kretanje podudara sa smjerom struje u žici, tada će smjer vrtnje ručke pokazati kamo je usmjereno magnetsko polje.

Slika 3

"Struja dolazi od nas" - križ u sredini kruga je pljusak strelice koja leti izvan ravnine slike, a gdje "Struja dolazi prema nama", prikazan je vrh strelice koja leti iza ravnine lista. Barem je takvo objašnjenje ovih oznaka dato na satovima fizike u školi.

Interakcija magnetskog polja dva vodiča sa strujom

Slika 4

Primijenimo li pravilo gimleta na svaki provodnik, određujući smjer magnetskog polja u svakom vodiču, možemo pouzdano reći da su vodiči s istim smjerom struje privučeni i da se njihova magnetska polja zbrajaju. Provodnici strujama različitih smjerova međusobno su odbojni, njihovo magnetsko polje je kompenzirano.

induktor

Ako je provodnik sa strujom izrađen u obliku prstena (zavojnice), tada ima svoje magnetske stupove, sjever i jug. Ali magnetsko polje jednog okreta obično je malo. Mnogo bolje rezultate možete postići tako što ćete žicu omotati u obliku zavojnice. Takav se dio naziva induktor ili jednostavno induktivitet. U tom se slučaju magnetska polja pojedinih zavoja sabiraju, međusobno se ojačavajući.

Slika 5

Na slici 5 prikazano je kako se dobiva zbroj magnetskih polja zavojnice. Čini se da je moguće svaki okret iz izvora, kao što je prikazano na Sl. 5.2, ali je lakše povezati zavoje u nizu (samo ih omotajte jednom žicom).

Sasvim je očito da što više okretaja zavojnica ima jače je magnetsko polje. Također, magnetsko polje ovisi i o struji kroz zavojnicu. Stoga je zakonito procijeniti sposobnost zavojnice da stvori magnetsko polje jednostavnim množenjem struje kroz zavojnicu (A) s brojem zavoja (W). Ta se vrijednost naziva ampere - okreće.

Jezgre zavojnica

Magnetsko polje koje stvara zavojnica može se značajno povećati ako se u zavojnicu uvede jezgra feromagnetskog materijala. Na slici 6. prikazana je tablica s relativnom magnetskom propusnošću različitih tvari.

Na primjer, transformatorski čelik učinit će magnetsko polje otprilike 7..7,5 tisuća puta jačim nego u odsutnosti jezgre. Drugim riječima, unutar jezgre magnetsko polje će okretati magnetsku iglu 7000 puta jače (to se može zamisliti samo mentalno).

Slika 6

Paramagnetne i dijamagnetske tvari nalaze se na vrhu tablice. Relativna magnetska propusnost µ navedena je u odnosu na vakuum. Slijedom toga, paramagnetske tvari malo pojačavaju magnetsko polje, dok dijamagnetske tvari malo slabe.Općenito, ove tvari nemaju poseban utjecaj na magnetsko polje. Iako se pri visokim frekvencijama ponekad koriste mjedene ili aluminijske jezgre za podešavanje kontura.

Na dnu tablice nalaze se feromagnetske tvari koje značajno pojačavaju magnetsko polje zavojnice strujom. Tako će, na primjer, jezgra izrađena od transformatorskog čelika učiniti magnetsko polje jačim točno 7.500 puta.

Kako i kako izmjeriti magnetsko polje

Kad su jedinice potrebne za mjerenje električnih veličina, naboj elektrona uzeo se kao referenca. Iz naboja elektrona - privjesaka formirana je vrlo stvarna i čak opipljiva jedinica, a na njezinoj osnovi sve se pokazalo jednostavnim: amper, volt, ohm, joule, watt, farad.

I što se može uzeti kao polazna točka za mjerenje magnetskih polja? Na neki način priključiti se na magnetsko polje elektrona vrlo je problematično. Stoga se u magnetizmu prihvaća kondukter kao mjerna jedinica kroz koji teče jedna jednosmerna struja od 1 A.

Karakteristike magnetskog polja

Glavna takva karakteristika je napetost (H). Pokazuje kojom silom djeluje magnetsko polje na gore spomenutom ispitnom vodiču, ako se dogodi u vakuumu. Vakuum je namijenjen isključivanju utjecaja okoline, pa se ova karakteristika - napetost smatra apsolutno čistom. Ampera po metru (a / m) uzima se kao jedinica napetosti. Takva se napetost pojavljuje na udaljenosti od 16 cm od vodiča, duž koje teče struja 1A.

Jačina polja govori samo o teorijskoj sposobnosti magnetskog polja. Stvarna sposobnost djelovanja odražava različitu vrijednost magnetske indukcije (B). Ona pokazuje stvarnu silu s kojom magnetsko polje djeluje na provodnik sa strujom od 1A.

Slika 7

Ako struja od 1A teče u vodiču duljine 1 m, a ona se istisne (privuče) silom od 1 N (102 G), onda kažu da je jačina magnetske indukcije u ovom trenutku točno 1 Tesla.

Magnetska indukcija je vektorska količina, osim numeričke vrijednosti ima i smjer koji se uvijek podudara s smjerom ispitne magnetske igle u proučavanom magnetskom polju.

Slika 8

Jedinica magnetske indukcije je Tesla (TL), iako se u praksi često koristi manja Gaussova jedinica: 1TL = 10 000G. Je li puno ili malo? Magnetsko polje blizu moćnog magneta može doseći nekoliko T, a blizu magnetske igle kompasa ne više od 100 G, Zemljino magnetsko polje blizu površine je oko 0,01 G ili manje.

Magnetski tok

Vektor magnetske indukcije B karakterizira magnetsko polje u samo jednoj točki u prostoru. Da bi se procijenio učinak magnetskog polja u određenom prostoru, uvodi se drugi pojam, poput magnetskog fluksa (Φ).

U stvari, predstavlja broj linija magnetske indukcije koje prolaze kroz određeni prostor, kroz neko područje: Φ = B * S * cosα. Ova se slika može prikazati u obliku kapi za kišnicu: jedna linija je jedna kap (B), a zajedno je to magnetski tok Φ. Tako su magnetske linije pojedinačnih zavoja zavojnice povezane u zajednički tok.

Slika 9

U sustavu SI Weber (Wb) se uzima kao jedinica magnetskog toka, takav se tok pojavljuje kada indukcija od 1 T djeluje na površinu od 1 m².

Magnetski krug

Magnetski tok u raznim uređajima (motori, transformatori itd.) U pravilu prolazi na određeni način, nazivajući se magnetskim krugom ili jednostavno magnetskim krugom. Ako je magnetski krug zatvoren (jezgra prstenastog transformatora), tada je njegov otpor mali, magnetski tok neometano prolazi, koncentriran je unutar jezgre. Na slici ispod prikazani su primjeri zavojnica sa zatvorenim i otvorenim magnetskim krugovima.

Slika 10

Otpor magnetskog kruga

Ali jezgra se može rezati i iz nje se može izvući komad, kako bi se napravio magnetski jaz. To će povećati ukupni magnetski otpor kruga, dakle, smanjiti magnetski tok i općenito smanjiti indukciju u cijeloj jezgri.To je isto kao i lemljenje velikog otpora u električnom krugu.

Slika 11.

Ako je rezultirajući jaz blokiran komadom čelika, ispada da je paralelno s razmakom povezan dodatni odjeljak s nižim magnetskim otporom, koji bi vratio poremećeni magnetski tok. To je vrlo slično kao paralelni prekidač u električnim krugovima. Usput, postoji i zakon za magnetski krug, koji se naziva magmatski krug Ohmov zakon.

Slika 12.

Glavni dio magnetskog toka proći će kroz magnetski šant. Upravo se taj fenomen koristi u magnetskom snimanju audio ili video signala: feromagnetski sloj trake pokriva jaz u jezgri magnetskih glava, a kroz magnetski tok zatvara se cijela magnetska struja.

Smjer magnetskog toka koji generira zavojnica može se odrediti pravilom desne ruke: ako četiri ispružena prsta pokazuju smjer struje u zavojnici, palac će pokazati smjer magnetskih linija, kao što je prikazano na slici 13.

 

Slika 13.

Vjeruje se da magnetske linije napuštaju sjeverni pol i odlaze na južni. Stoga palac u ovom slučaju označava mjesto južnog pola. Provjerite je li to tako, možete ponovo pomoću igle za kompas.

Kako radi elektromotor

Poznato je da električna energija može stvarati svjetlost i toplinu, sudjelovati u elektrokemijskim procesima. Nakon upoznavanja s osnovama magnetizma, možete razgovarati o tome kako rade električni motori.

Električni motori mogu biti vrlo različitog dizajna, snage i principa rada: na primjer, istosmjerna i izmjenična struja, korak ili kolektor. No, uz svu raznolikost dizajna, princip rada temelji se na interakciji magnetskih polja rotora i statora.

Da bi se dobila ta magnetska polja, struja se provodi kroz namotaje. Što je veća struja i što je veća magnetska indukcija vanjskog magnetskog polja, to je motor snažniji. Za jačanje ovog polja koriste se magnetske jezgre, pa u električnim motorima postoji toliko čeličnih dijelova. Neki modeli istosmjernih motora koriste trajne magnete.

Slika 14.

Ovdje, možete reći, sve je jasno i jednostavno: prošli su struju kroz žicu, primili magnetsko polje. Interakcija s drugim magnetskim poljem tjera ovaj vodič da se pomiče, pa čak i obavlja mehanički rad.

Smjer rotacije može se odrediti pravilom lijeve ruke. Ako četiri ispružena prsta pokazuju smjer struje u vodiču, a magnetske linije ulaze u dlan vaše ruke, savijeni palac označit će smjer izbacivanja vodiča u magnetsko polje.

Nastavak: Induktori i magnetska polja. Dio 2. Elektromagnetska indukcija i induktivnost