Induttori e campi magnetici

Dopo la storia sull'uso di condensatori Sarebbe logico parlare di un altro rappresentante di radioelementi passivi: gli induttori. Ma la storia su di loro dovrà partire da lontano, per ricordare l'esistenza di un campo magnetico, perché è il campo magnetico che circonda e penetra nelle bobine, è in un campo magnetico, il più delle volte alternato, che le bobine funzionano. In breve, questo è il loro habitat.

Il magnetismo come proprietà della materia

Il magnetismo è una delle proprietà più importanti della materia, come ad esempio il campo di massa o elettrico. I fenomeni del magnetismo, tuttavia, come l'elettricità, sono noti da molto tempo, solo allora la scienza non ha potuto spiegare l'essenza di questi fenomeni. Un fenomeno incomprensibile fu chiamato "magnetismo" con il nome della città di Magnesia, che una volta era in Asia Minore. Fu dal minerale estratto nelle vicinanze che furono ottenuti magneti permanenti.

Ma i magneti permanenti nel quadro di questo articolo non sono particolarmente interessanti. Non appena è stato promesso di parlare di induttori, molto probabilmente parleremo di elettromagnetismo, perché è tutt'altro che un segreto che anche attorno a un filo con corrente c'è un campo magnetico.

In condizioni moderne, è abbastanza facile studiare il fenomeno del magnetismo al livello iniziale, almeno. Per fare questo, è necessario assemblare un semplice circuito elettrico da una batteria e una lampadina per una torcia. Come indicatore del campo magnetico, della sua direzione e intensità, puoi usare la solita bussola.

Campo magnetico DC

Come sapete, la bussola mostra la direzione verso nord. Se si posizionano i fili del circuito più semplice di cui sopra e si accende la luce, l'ago della bussola si discosterà leggermente dalla sua posizione normale.

Collegando un'altra lampadina in parallelo, è possibile raddoppiare la corrente nel circuito, aumentando leggermente l'angolo di rotazione della freccia. Ciò suggerisce che il campo magnetico del filo con la corrente è diventato più grande. È su questo principio che funzionano gli strumenti di misurazione delle frecce.

Se la polarità dell'accensione della batteria è invertita, l'ago della bussola ruoterà verso l'altra estremità - anche la direzione del campo magnetico nei fili cambierà in direzione. Quando il circuito è spento, l'ago della bussola tornerà nella posizione corretta. Non c'è corrente nella bobina e non c'è campo magnetico.

In tutti questi esperimenti, la bussola svolge il ruolo di un ago magnetico di prova, proprio come lo studio di un campo elettrico costante viene eseguito da una carica elettrica di prova.

Sulla base di esperimenti così semplici, possiamo concludere che il magnetismo nasce a causa della corrente elettrica: più forte è questa corrente, più forti sono le proprietà magnetiche del conduttore. E poi da dove viene il campo magnetico dei magneti permanenti, dal momento che nessuno ha collegato la batteria con dei cavi?

La ricerca scientifica fondamentale ha dimostrato che il magnetismo permanente si basa su fenomeni elettrici: ogni elettrone si trova nel suo campo elettrico e ha proprietà magnetiche elementari. Solo nella maggior parte delle sostanze, queste proprietà sono reciprocamente neutralizzate e per qualche motivo, per qualche motivo, formano un grande magnete.

Naturalmente, in realtà, tutto non è così primitivo e semplice, ma, in generale, anche i magneti permanenti hanno le loro meravigliose proprietà a causa del movimento delle cariche elettriche.

E che tipo di linee magnetiche sono?

Le linee magnetiche possono essere viste visivamente. Nell'esperienza scolastica, nelle lezioni di fisica, le limature di metallo vengono versate su un foglio di cartone e sotto viene posizionato un magnete permanente. Toccando leggermente su un foglio di cartone è possibile ottenere l'immagine mostrata nella Figura 1.

Figura 1

È facile vedere che le linee magnetiche di forza lasciano il polo nord ed entrano nel sud, senza spezzarsi. Certo, possiamo dire che è, al contrario, da sud a nord, ma è così consueto, quindi, da nord a sud. Allo stesso modo in cui una volta adottarono la direzione della corrente da più a meno.

Se, invece di un magnete permanente, un filo di corrente passa attraverso un cartone, allora la limatura di metallo lo mostrerà, il conduttore, il campo magnetico. Questo campo magnetico ha la forma di linee circolari concentriche.

Per studiare il campo magnetico, puoi fare a meno della segatura. È sufficiente spostare la freccia magnetica di prova attorno al conduttore corrente per vedere che le linee magnetiche di forza sono effettivamente cerchi concentrici chiusi. Se spostiamo la freccia di prova sul lato in cui il campo magnetico la devia, ritorneremo sicuramente allo stesso punto da cui è iniziato il movimento. Allo stesso modo, come camminare intorno alla Terra: se non vai da nessuna parte senza girarti, prima o poi verrai nello stesso posto.

Figura 2

Regola del succhiello

La direzione del campo magnetico di un conduttore con corrente è determinata dalla regola del gimlet, uno strumento per praticare fori in un albero. Qui tutto è molto semplice: il gimlet deve essere ruotato in modo che il suo movimento traslazionale coincida con la direzione della corrente nel filo, quindi il senso di rotazione della maniglia mostrerà dove è diretto il campo magnetico.

Figura 3

"La corrente viene da noi" - la croce al centro del cerchio è il piumaggio di una freccia che vola oltre il piano dell'immagine e dove "La corrente viene verso di noi", viene mostrata la punta della freccia che vola a causa del piano del foglio. Almeno, una tale spiegazione di queste designazioni è stata data nelle lezioni di fisica a scuola.

L'interazione dei campi magnetici di due conduttori con la corrente

Figura 4

Se applichiamo la regola del gimlet a ciascun conduttore, dopo aver determinato la direzione del campo magnetico in ciascun conduttore, possiamo dire con sicurezza che i conduttori con la stessa direzione corrente sono attratti e i loro campi magnetici si sommano. I conduttori con correnti di direzioni diverse si respingono a vicenda, il loro campo magnetico viene compensato.

induttore

Se il conduttore con corrente è realizzato sotto forma di un anello (bobina), allora ha i suoi poli magnetici, nord e sud. Ma il campo magnetico di un giro è generalmente piccolo. Puoi ottenere risultati molto migliori avvolgendo il filo sotto forma di una bobina. Tale parte è chiamata induttore o semplicemente induttanza. In questo caso, i campi magnetici dei singoli giri si sommano, rafforzandosi a vicenda.

Figura 5

La Figura 5 mostra come ottenere la somma dei campi magnetici della bobina. Sembra che sia possibile alimentare ogni turno dalla sua sorgente, come mostrato in Fig. 5.2, ma è più facile collegare le curve in serie (basta avvolgerle con un filo).

È abbastanza ovvio che più giri ha la bobina, più forte è il suo campo magnetico. Inoltre, il campo magnetico dipende anche dalla corrente attraverso la bobina. Pertanto, è legittimo valutare la capacità di una bobina di creare un campo magnetico semplicemente moltiplicando la corrente attraverso la bobina (A) per il numero di giri (W). Questo valore si chiama ampere - giri.

Bobina centrale

Il campo magnetico generato dalla bobina può essere aumentato significativamente se nella bobina viene introdotto un nucleo di materiale ferromagnetico. La Figura 6 mostra una tabella con la relativa permeabilità magnetica di varie sostanze.

Ad esempio, l'acciaio del trasformatore renderà il campo magnetico circa 7,500 volte più forte che in assenza di un nucleo. In altre parole, all'interno del nucleo, il campo magnetico ruoterà l'ago magnetico 7.000 volte più forte (questo può essere solo immaginato mentalmente).

Figura 6

Le sostanze paramagnetiche e diamagnetiche si trovano nella parte superiore della tabella. La permeabilità magnetica relativa µ è indicata in relazione al vuoto. Di conseguenza, le sostanze paramagnetiche aumentano leggermente il campo magnetico, mentre le sostanze diamagnetiche si indeboliscono leggermente.In generale, queste sostanze non hanno un effetto speciale sul campo magnetico. Anche se, alle alte frequenze, a volte vengono utilizzati nuclei di ottone o alluminio per regolare i contorni.

Nella parte inferiore della tabella sono presenti sostanze ferromagnetiche che aumentano significativamente il campo magnetico della bobina con la corrente. Quindi, ad esempio, un nucleo in acciaio trasformatore renderà il campo magnetico più forte esattamente 7.500 volte.

Come e come misurare il campo magnetico

Quando erano necessarie unità per misurare le quantità elettriche, la carica elettronica veniva presa come riferimento. Un'unità molto reale e persino tangibile è stata formata dalla carica di un elettrone - un pendente, e sulla sua base tutto si è rivelato semplice: ampere, volt, ohm, joule, watt, farad.

E cosa può essere preso come punto di partenza per misurare i campi magnetici? In qualche modo attaccarsi al campo magnetico dell'elettrone è molto problematico. Pertanto, un conduttore viene adottato come unità di misura nel magnetismo, attraverso il quale scorre una corrente continua di 1 A.

Caratteristiche del campo magnetico

La principale caratteristica è la tensione (H). Mostra con quale forza il campo magnetico agisce sul conduttore di prova sopra menzionato, se accade nel vuoto. Il vuoto ha lo scopo di escludere l'influenza dell'ambiente, quindi questa caratteristica - la tensione è considerata assolutamente pulita. L'ampere per metro (a / m) viene preso come unità di tensione. Tale tensione appare a una distanza di 16 cm dal conduttore, lungo la quale scorre corrente 1A.

L'intensità del campo parla solo dell'abilità teorica del campo magnetico. La reale capacità di agire riflette un diverso valore di induzione magnetica (B). È lei che mostra la vera forza con cui il campo magnetico agisce su un conduttore con una corrente di 1A.

Figura 7

Se una corrente di 1A scorre in un conduttore lungo 1 m, e viene espulsa (attratta) con una forza di 1 N (102 G), allora dicono che la grandezza dell'induzione magnetica a questo punto è esattamente 1 Tesla.

L'induzione magnetica è una quantità vettoriale, oltre al valore numerico, ha anche una direzione che coincide sempre con la direzione dell'ago magnetico di prova nel campo magnetico in studio.

Figura 8

L'unità di induzione magnetica è Tesla (TL), anche se in pratica viene spesso utilizzata un'unità di Gauss più piccola: 1TL = 10.000 G. È molto o poco? Il campo magnetico vicino a un potente magnete può raggiungere diversi T, vicino all'ago magnetico della bussola non più di 100 G, il campo magnetico terrestre vicino alla superficie è di circa 0,01 G o anche più in basso.

Flusso magnetico

Il vettore di induzione magnetica B caratterizza il campo magnetico in un solo punto dello spazio. Per valutare l'effetto di un campo magnetico in un determinato spazio, viene introdotto un altro concetto come il flusso magnetico (Φ).

In realtà, rappresenta il numero di linee di induzione magnetica che attraversano un determinato spazio, attraverso alcune aree: Φ = B * S * cosα. Questa immagine può essere rappresentata sotto forma di gocce di pioggia: una linea è una goccia (B) e insieme è il flusso magnetico Φ. Ecco come le linee magnetiche di potenza dei singoli giri della bobina sono collegate in un flusso comune.

Figura 9

Nel sistema SI, Weber (Wb) viene preso come unità di flusso magnetico, tale flusso si verifica quando un'induzione di 1 T agisce su un'area di 1 mq.

Circuito magnetico

Il flusso magnetico in vari dispositivi (motori, trasformatori, ecc.), Di regola, passa in un certo modo, chiamato circuito magnetico o semplicemente circuito magnetico. Se il circuito magnetico è chiuso (il nucleo del trasformatore ad anello), la sua resistenza è piccola, il flusso magnetico passa senza ostacoli, si concentra all'interno del nucleo. La figura seguente mostra esempi di bobine con circuiti magnetici chiusi e aperti.

Figura 10

Resistenza al circuito magnetico

Ma il nucleo può essere tagliato e un pezzo può essere estratto da esso, per creare uno spazio magnetico. Ciò aumenterà la resistenza magnetica complessiva del circuito, quindi ridurrà il flusso magnetico e generalmente ridurrà l'induzione nell'intero nucleo.È come saldare molta resistenza in un circuito elettrico.

Figura 11

Se lo spazio risultante viene chiuso con un pezzo di acciaio, si scopre che una sezione aggiuntiva con una resistenza magnetica inferiore è collegata parallelamente allo spazio, il che ripristinerà il flusso magnetico disturbato. Questo è molto simile a uno shunt nei circuiti elettrici. A proposito, esiste anche una legge per il circuito magnetico, che si chiama legge di Ohm per il circuito magnetico.

Figura 12

La parte principale del flusso magnetico passerà attraverso lo shunt magnetico. È questo fenomeno che viene utilizzato nella registrazione magnetica di segnali audio o video: lo strato ferromagnetico del nastro copre lo spazio nel nucleo delle testine magnetiche e l'intero flusso magnetico viene chiuso attraverso il nastro.

La direzione del flusso magnetico generato dalla bobina può essere determinata usando la regola della mano destra: se quattro dita tese indicano la direzione della corrente nella bobina, il pollice mostrerà la direzione delle linee magnetiche, come mostrato nella Figura 13.

 

Figura 13

Si ritiene che le linee magnetiche lascino il polo nord e vadano a sud. Pertanto, il pollice in questo caso indica la posizione del polo sud. Controlla se è così, puoi di nuovo usare l'ago della bussola.

Come funziona il motore elettrico

È noto che l'elettricità può creare luce e calore, partecipare a processi elettrochimici. Dopo aver familiarizzato con le basi del magnetismo, puoi parlare di come funzionano i motori elettrici.

I motori elettrici possono avere un design, una potenza e un principio di funzionamento molto diversi: ad esempio corrente continua e alternata, passo o collettore. Ma con tutta la varietà di design, il principio di funzionamento si basa sull'interazione dei campi magnetici del rotore e dello statore.

Per ottenere questi campi magnetici, la corrente viene fatta passare attraverso gli avvolgimenti. Maggiore è la corrente e maggiore è l'induzione magnetica di un campo magnetico esterno, più potente è il motore. I nuclei magnetici sono usati per rafforzare questo campo, quindi ci sono così tante parti in acciaio nei motori elettrici. Alcuni modelli di motori DC utilizzano magneti permanenti.

Figura 14

Qui, si può dire, tutto è chiaro e semplice: hanno passato una corrente attraverso il filo, hanno ricevuto un campo magnetico. L'interazione con un altro campo magnetico fa muovere questo conduttore e persino eseguire lavori meccanici.

Il senso di rotazione può essere determinato dalla regola della mano sinistra. Se quattro dita distese indicano la direzione della corrente nel conduttore e le linee magnetiche entrano nel palmo della mano, il pollice piegato indicherà la direzione di espulsione del conduttore in un campo magnetico.

Continua: Induttori e campi magnetici. Parte 2. Induzione elettromagnetica e induttanza