Induktorok és mágneses mezők

A történet után a kondenzátorok használatáról Logikus lenne a passzív radioelemek egy másik képviselőjéről - induktorokról - beszélni. De a róluk szóló történetnek messziről kell kezdődnie, hogy emlékezzen egy mágneses mező létezésére, mivel a tekercseket a mágneses mező körülveszi és áthatolja, mágneses mezőben, leggyakrabban váltakozva, működik a tekercs. Röviden: ez az ő élőhelyük.

A mágnesesség mint az anyag tulajdonsága

A mágnesesség az anyag, valamint például a tömeg vagy az elektromos mező egyik legfontosabb tulajdonsága. A mágnesesség jelenségei azonban, mint például az elektromosság, már régóta ismertek, csak akkor a tudomány nem tudta megmagyarázni e jelenségek lényegét. Egy érthetetlen jelenséget "mágnesességnek" neveztek, amely Magnezia városának a neve, amely valaha Kis-Ázsia volt. Állandó mágneseket nyert a közelben bányászott ércből.

De a cikkben szereplő állandó mágnesek nem különösebben érdekesek. Amint ígéretet tettek arra, hogy induktorokról beszélnek, akkor valószínűleg az elektromágnesességről beszélünk, mert messze nem titok, hogy még az árammal ellátott vezeték körül is van egy mágneses mező.

A modern körülmények között meglehetősen könnyű megvizsgálni a mágnesesség jelenségét legalább a kezdeti szinten. Ehhez össze kell szerelnie egy egyszerű elektromos áramkört egy elemből és egy izzóból egy zseblámpához. A mágneses mező, annak irányának és intenzitásának jelzésére használhatja a szokásos iránytűt.

DC mágneses mező

Mint tudod, az iránytű az északi irányt mutatja. Ha a fent említett legegyszerűbb áramkör vezetékeit behelyezi és bekapcsolja a lámpát, az iránytű tű kissé eltér a normál helyzetétől.

Ha egy másik izzót párhuzamosan csatlakoztat, megduplázhatja az áramot az áramkörben, ami a nyíl forgásszögét kissé megnöveli. Ez arra utal, hogy a huzal mágneses mezője nagyobbá vált. Ezen az elven működnek a nyílmérők.

Ha az akkumulátor bekapcsolásának polaritása megfordul, akkor az iránytű tű a másik végére fordul - a vezetékekben a mágneses mező iránya is megváltozott. Az áramkör kikapcsolásakor az iránytű tű visszatér a megfelelő helyzetébe. A tekercsben nincs áram, és nincs mágneses mező.

A kísérletek mindegyikében az iránytű tesztmágneses tű szerepet játszik, csakúgy, mint egy állandó elektromos mező vizsgálatát egy teszt elektromos töltéssel.

Az ilyen legegyszerűbb kísérletek alapján arra a következtetésre juthatunk, hogy a mágnesesség az elektromos áram miatt születik: minél erősebb ez az áram, annál erősebbek a vezető mágneses tulajdonságai. És akkor honnan származik az állandó mágnesek mágneses tere, mivel senki nem csatlakoztatta az akkumulátort vezetékekkel?

Az alapvető tudományos kutatások bebizonyították, hogy az állandó mágnesesség elektromos jelenségeken alapszik: mindegyik elektron a saját elektromos mezőjében van, és elemi mágneses tulajdonságokkal rendelkezik. Csak a legtöbb anyagban ezeket a tulajdonságokat kölcsönösen semlegesítik, és valamilyen okból valamilyen okból egy nagy mágnest képeznek.

Természetesen valójában minden nem olyan primitív és egyszerű, ám általában még az állandó mágnesek is csodálatos tulajdonságokkal rendelkeznek az elektromos töltések mozgása miatt.

És milyen mágneses vonalak vannak?

A mágneses vonalak vizuálisan láthatók. Az iskolai tapasztalatok szerint a fizika óráiban a fémlemezeket egy kartonpapírra öntik, és egy állandó mágnest helyeznek alá. Könnyen megérintve egy kartonlapot, az 1. ábrán látható képet lehet elérni.

1. ábra

Könnyű belátni, hogy a mágneses erővonalak elhagyják az északi pólusot, és törés nélkül lépnek be délre. Természetesen azt mondhatjuk, hogy éppen ellenkezőleg, délről északra, de ennyire szokásos északról délre. Ugyanúgy, ahogy egyszer elfogadták az áram irányát plusz és mínusz között.

Ha egy állandó mágnes helyett egy áramvezetéket vezetnek át egy kartonon, akkor a fémlemezek megmutatják azt, a vezetőt és a mágneses teret. Ennek a mágneses mezőnek koncentrikus körvonalai vannak.

A mágneses mező vizsgálatához fűrészpor nélkül is megteheti. Elegendő a tesztmágneses nyilat az áramvezető körül mozgatni, hogy lássa, hogy a mágneses erővonalak valóban zárt koncentrikus körök. Ha a teszt nyílát arra az oldalra mozgatjuk, ahol a mágneses mező elhajlik, akkor biztosan visszatérünk ugyanabba a pontba, ahonnan a mozgás megkezdődött. Hasonlóképpen, mint a séta a Föld körül: ha sehova nem megy fordulás nélkül, akkor előbb vagy utóbb ugyanabba a helyre fog jönni.

2. ábra

Gimlet-szabály

A vezeték mágneses mezőjének irányát az árammal a fúrólyuk fúrására szolgáló eszköz, a gömbcsukló szabálya határozza meg. Itt minden nagyon egyszerű: a gömbcsuklót úgy kell elforgatni, hogy transzlációs mozgása egybeesjen a huzalban lévő áram irányával, akkor a fogantyú forgásiránya megmutatja, hogy a mágneses mező melyik irányba kerül.

3. ábra

„Az áram tőlünk jön” - a kör közepén lévő kereszt a kép síkja felett repülõ nyíl tollazatát jeleníti meg, és ahol a „az áram jön feléünk”, a lap síkja mögül repülõ nyíl hegyét mutatjuk. Legalább ilyen megjelölést adtak az iskolában a fizika óráiban.

Két vezető mágneses tereinek kölcsönhatása az árammal

4. ábra

Ha minden egyes vezetőre alkalmazzuk a gömbcsatornás szabályt, miután meghatároztuk az egyes vezetőkben a mágneses mező irányát, akkor magabiztosan mondhatjuk, hogy azonos áram irányú vezetők vonzódnak, és mágneses mezőjük összeadódik. Különböző irányú árammal rendelkező vezetők kölcsönösen visszatükröződik, mágneses mezőjük kompenzálva van.

induktor

Ha az áramvezetőt gyűrű (tekercs) formájában készítik, akkor megvannak a maga mágneses pólusai, északon és délen. De egy fordulat mágneses mezője általában kicsi. Sokkal jobb eredményeket érhet el, ha a huzalt tekercs formájában csomagolja. Egy ilyen részt induktornak vagy egyszerűen induktivitásnak hívnak. Ebben az esetben az egyes fordulatok mágneses terei összeadódnak, kölcsönösen erősítve egymást.

5. ábra

Az 5. ábra bemutatja, hogyan lehet megkapni a tekercs mágneses tereinek összegét. Úgy tűnik, hogy minden fordulatot a forrásból lehet táplálni, amint az a 2. ábrán látható. 5.2, de könnyebb a fordulatokat sorba kapcsolni (csak egy huzallal kell betekerni).

Teljesen nyilvánvaló, hogy minél több fordulatot fordít a tekercs, annál erősebb a mágneses tere. A mágneses mező a tekercsen átáramló áramtól is függ. Ezért indokolt a tekercs mágneses mező létrehozására való képességének kiértékelése, egyszerűen az a tekercsen keresztüli áram (A) szorzata a fordulatok számával (W). Ezt az értéket amperfordulásoknak nevezzük.

Magtekercs

A tekercs által generált mágneses mező jelentősen megnövelhető, ha a tekercsbe ferromágneses anyag magot vezetnek. A 6. ábra egy táblázatot mutat be a különféle anyagok relatív mágneses permeabilitásáról.

Például a transzformátor acélja körülbelül 7–7,5 ezer alkalommal erõsíti a mágneses teret, mint ha nincs mag. Más szavakkal: a mag belsejében a mágneses mező 7000-szer erősebben forgatja a mágneses tűt (ezt csak szellemileg lehet elképzelni).

6. ábra

A paramágneses és diamagnetikus anyagok az asztal tetején találhatók. A µ relatív mágneses permeabilitását a vákuumhoz viszonyítva kell megadni. Következésképpen a paramágneses anyagok kissé javítják a mágneses teret, míg a diamagnetikus anyagok kissé gyengítik.Ezeknek az anyagoknak általában nincs különösebb hatása a mágneses mezőre. Bár magas frekvenciákon sárgaréz vagy alumínium magokat használnak a kontúr beállításához.

Az asztal alján ferromágneses anyagok vannak, amelyek az árammal jelentősen javítják a tekercs mágneses mezőjét. Tehát például egy transzformátor acélból készült mag a mágneses teret pontosan 7500-szor erősebbé teszi.

Hogyan és hogyan lehet megmérni a mágneses teret

Amikor egységekre volt szükség az elektromos mennyiségek méréséhez, az elektron töltését vettük referenciaként. Egy nagyon valódi és még kézzelfogható egység alakult ki egy elektron töltéséből - egy medálból, és ennek alapján minden egyszerűnek bizonyult: amper, volt, oh, joule, watt, farad.

És mit lehet kiindulási pontként figyelembe venni a mágneses mezők méréséhez? Valahogy nagyon problematikus az elektron mágneses mezőhöz történő csatlakoztatása. Ezért a vezetőt mágnesesség mérési egységének tekintik, amelyen keresztül 1 A egyenáram áramlik.

Mágneses mező jellemzői

A fő ilyen jellemző a feszültség (H). Megmutatja, hogy milyen erővel hat a mágneses mező a fent említett tesztvezetőre, ha vákuumban fordul elő. A vákuum célja, hogy kizárja a környezet hatását, ezért ezt a tulajdonságot - a feszültséget abszolút tisztanak tekintik. A feszültség mértékegységére méteres amperből (a / m) számítanak. Ez a feszültség a vezetőtől 16 cm távolságra jelenik meg, amely mentén az 1A áram áramlik.

A térerősség csak a mágneses mező elméleti képességéről szól. A valódi cselekvési képesség a mágneses indukció más értékét tükrözi (B). Ő az, aki megmutatja a valódi erőt, amellyel a mágneses mező egy 1A áramú vezetékre hat.

7. ábra

Ha 1 A áram áramlik egy 1 m hosszú vezetékben, és 1 N erővel (102 G) tolja ki (vonzza), akkor azt mondják, hogy a mágneses indukció nagysága pontosan 1 Tesla.

A mágneses indukció vektormennyiség, és a numerikus érték mellett egy olyan irányt is tartalmaz, amely mindig egybeesik a vizsgált mágneses tű irányával a vizsgált mágneses mezőben.

8. ábra

A mágneses indukció mértékegysége Tesla (TL), bár a gyakorlatban gyakran használnak egy kisebb Gauss-egységet: 1TL = 10 000 G. Sok vagy kevés? A hatalmas mágnes közelében lévő mágneses mező több T-ot is elérhet, az iránytű mágneses tűje mellett legfeljebb 100 G, a Föld mágneses tere a felület közelében körülbelül 0,01 G vagy még ennél is alacsonyabb.

Mágneses fluxus

A B mágneses indukciós vektor a mágneses teret a tér egyetlen pontján jellemzi. A mágneses mező bizonyos térben kifejtett hatásainak becslésére egy másik fogalmat vezetünk be, mint például a mágneses fluxus (Φ).

Valójában a mágneses indukció egyenesének számát képviseli egy adott térben, egy bizonyos területen keresztül: Φ = B * S * cosα. Ez a kép esőcseppek formájában reprezentálható: egy sor egy csepp (B), és együttesen a mágneses fluxus. Így kapcsolódnak az egyes tekercsek fordulóinak mágneses vonalai egy közös árammá.

9. ábra

Az SI rendszerben a Weber-et (Wb) vesszük a mágneses fluxus egységének, ilyen fluxus akkor fordul elő, ha az 1 T indukció 1 m2-es területre hat.

Mágneses áramkör

A különféle eszközök (motorok, transzformátorok, stb.) Mágneses fluxusa általában egy meghatározott módon halad át, mágneses áramkörnek vagy egyszerűen mágneses áramkörnek. Ha a mágneses áramkör zárva van (a gyűrűtranszformátor magja), akkor az ellenállása kicsi, a mágneses fluxus akadálytalanul halad át, a mag belsejében koncentrálódik. Az alábbi ábra a zárt és nyitott mágneses áramkörökkel ellátott tekercsek példáit mutatja.

10. ábra

Mágneses áramkör ellenállása

De a mag vágható és egy darab kihúzható belőle, hogy mágneses rést képezzen. Ez növeli az áramkör általános mágneses ellenállását, ennélfogva csökkenti a mágneses fluxust, és általában csökkenti az indukciót a teljes magban.Ugyanaz, mint egy nagy ellenállás forrasztása egy elektromos áramkörben.

11. ábra

Ha a kapott rést acéldarabgal zárják le, kiderül, hogy a réshez párhuzamosan egy további, alacsonyabb mágneses ellenállású szakaszt csatlakoztattak, amely helyreállítja a zavart mágneses fluxust. Ez nagyon hasonlít egy elektromos áramkörökben lévő šuntra. Egyébként létezik egy törvény a mágneses áramkörről is, amelyet Ohm törvényének hívnak a mágneses áramkörre.

12. ábra

A mágneses fluxus nagy része áthalad a mágneses shunton. Ezt a jelenséget használják az audio vagy video jelek mágneses rögzítésére: a szalag ferromágneses rétege lefedi a mágneses fejek magjában lévő rést, és a teljes mágneses fluxus bezáródik a szalagon.

A tekercs által generált mágneses fluxus irányát a jobb kéz szabálya alapján lehet meghatározni: ha négy kinyújtott ujj jelzi a tekercsben lévő áram irányát, a hüvelykujj megmutatja a mágneses vonalak irányát, amint a 13. ábra mutatja.

 

13. ábra

Úgy gondolják, hogy a mágneses vonalak elhagyják az északi sarkot, és délre mennek. Ezért a hüvelykujj ebben az esetben a déli pólus helyét jelzi. Ellenőrizze, hogy így van-e, újra használhatja az iránytűt.

Hogyan működik az elektromos motor?

Ismeretes, hogy az elektromosság fényt és hőt hozhat létre, részt vehet az elektrokémiai folyamatokban. A mágnesesség alapjainak megismerése után beszélhet arról, hogy az elektromos motorok hogyan működnek.

Az elektromos motorok konstrukciója, teljesítménye és működési elve nagyon eltérő lehet: például egyenáramú és váltakozó áramú, lépcsős vagy kollektoros. De a konstrukció sokféle változatánál a működés elve a rotor és az állórész mágneses tereinek kölcsönhatásán alapul.

Ezeknek a mágneses mezőknek az elérése érdekében az áramot a tekercsek vezetik át. Minél nagyobb az áram és annál nagyobb a külső mágneses mező mágneses indukciója, annál erősebb a motor. A mágneses magokat erõsítésre használják, tehát annyi acél alkatrész található az elektromos motorokban. Néhány egyenáramú motor modell állandó mágneseket használ.

14. ábra

Itt lehet mondani, hogy minden világos és egyszerű: áramot adtak át a vezetéken, mágneses teret kaptak. Egy másik mágneses mezővel való kölcsönhatás révén ez a vezető mozoghat, és akár mechanikai munkát is végezhet.

A forgás irányát a bal kéz szabálya határozhatja meg. Ha négy kinyújtott ujj jelzi az áram irányát a vezetőben, és a mágneses vonalak a tenyerébe lépnek, akkor a hajlított hüvelykujj jelzi a vezető kisugárzási irányát egy mágneses mezőben.

Folytatás: Induktorok és mágneses mezők. 2. rész. Elektromágneses indukció és induktivitás