Induktoriai ir magnetiniai laukai

Po pasakojimo dėl kondensatorių naudojimo Būtų logiška kalbėti apie kitą pasyviųjų radioelementų atstovą - induktorius. Bet pasakojimas apie juos turės prasidėti iš tolo, atsiminti magnetinio lauko egzistavimą, nes ritės veikia būtent magnetinį lauką, kuris supa ir prasiskverbia ant ritių, būtent magnetiniame lauke, dažniausiai kintamame. Trumpai tariant, tai yra jų buveinė.

Magnetizmas kaip materijos savybė

Magnetizmas yra viena iš svarbiausių materijos savybių, taip pat, pavyzdžiui, masė ar elektrinis laukas. Tačiau magnetizmo reiškiniai, kaip ir elektra, buvo žinomi ilgą laiką, tik tada mokslas negalėjo paaiškinti šių reiškinių esmės. Nesuprantamas reiškinys buvo vadinamas „magnetizmu“ Magnesijos miesto, kuris kadaise buvo Mažojoje Azijoje, vardu. Buvo gauti nuolatiniai magnetai iš netoliese iškastos rūdos.

Tačiau nuolatiniai magnetai šio straipsnio rėmuose nėra ypač įdomūs. Kai tik buvo pažadėta kalbėti apie induktorius, tada greičiausiai kalbėsime apie elektromagnetizmą, nes toli gražu ne paslaptis, kad net aplink laidą su srove yra magnetinis laukas.

Šiuolaikinėmis sąlygomis yra gana lengva ištirti magnetizmo reiškinį bent jau pradiniame lygmenyje. Norėdami tai padaryti, turite surinkti paprastą elektros grandinę iš akumuliatoriaus ir lemputės žibintuvėliui. Kaip magnetinio lauko, jo krypties ir intensyvumo rodiklį galite naudoti įprastą kompasą.

DC magnetinis laukas

Kaip žinote, kompasas rodo kryptį į šiaurę. Jei įdėsite aukščiau paminėtos paprasčiausios grandinės laidus ir įjungsite šviesą, kompaso adata šiek tiek nukryps nuo įprastos padėties.

Prijungę lygiagrečiai kitą lemputę, galite dvigubai padidinti srovę grandinėje, dėl kurios rodyklės sukimosi kampas šiek tiek padidėja. Tai rodo, kad laido su srove magnetinis laukas tapo didesnis. Būtent šiuo principu veikia strėlių matavimo priemonės.

Jei baterijos įjungimo poliškumas yra atvirkštinis, tada kompaso adata pasisuks į kitą galą - taip pat pasikeitė ir laidų magnetinio lauko kryptis. Išjungus grandinę, kompaso adata grįš į teisingą padėtį. Rityje nėra srovės, nėra ir magnetinio lauko.

Visuose šiuose eksperimentuose kompasas atlieka bandomosios magnetinės adatos vaidmenį, lygiai taip pat kaip nuolatinio elektrinio lauko tyrimas atliekamas bandomuoju elektros krūviu.

Remdamiesi tokiais paprasčiausiais eksperimentais galime daryti išvadą, kad magnetizmas gimsta dėl elektros srovės: kuo stipresnė ši srovė, tuo stipresnės laidininko magnetinės savybės. O iš kur atsiranda nuolatinių magnetų magnetinis laukas, nes niekas baterijos su jais nejungė su laidais?

Fundamentaliaisiais moksliniais tyrimais įrodyta, kad nuolatinis magnetizmas remiasi elektriniais reiškiniais: kiekvienas elektronas yra savo elektriniame lauke ir turi elementarias magnetines savybes. Tik daugumoje medžiagų šios savybės yra tarpusavyje neutralizuojamos ir dėl tam tikrų priežasčių dėl tam tikrų priežasčių sudaro vieną didelį magnetu.

Žinoma, iš tikrųjų viskas nėra taip primityvu ir paprasta, tačiau apskritai net nuolatiniai magnetai turi savo nuostabias savybes dėl elektros krūvių judėjimo.

O kokios tai magnetinės linijos?

Magnetinės linijos gali būti matomos vizualiai. Mokyklinės patirties dėka, fizikos pamokose metalinės drožlės pilamos ant kartono lakšto, o žemiau - nuolatinis magnetas. Lengvai bakstelėję ant kartono lapo, galite gauti 1 paveiksle parodytą paveikslėlį.

1 pav

Nesunku pastebėti, kad magnetinės jėgos linijos palieka šiaurinį ašigalį ir įeina į pietus, nesulaužydamos. Žinoma, mes galime pasakyti, kad ji yra atvirkščiai, iš pietų į šiaurę, tačiau taip įprasta, todėl iš šiaurės į pietus. Lygiai taip pat, kaip jie kadaise priėmė srovės kryptį nuo pliuso iki minuso.

Jei vietoj nuolatinio magneto dabartinė viela bus pravesta per kartoną, tada metalo drožlės parodys jį, laidininką, magnetinį lauką. Šis magnetinis laukas yra koncentrinių apskritų linijų forma.

Norėdami ištirti magnetinį lauką, galite išsiversti be pjuvenų. Pakanka perkelti bandomąją magnetinę rodyklę aplink srovės laidininką, kad pamatytumėte, jog jėgos magnetinės linijos iš tikrųjų yra uždari koncentriniai apskritimai. Jei perkelsime bandymo rodyklę į tą pusę, kur magnetinis laukas jį nukreipia, mes tikrai grįšime į tą patį tašką, kuriame prasidėjo judėjimas. Panašiai, kaip ir vaikščiojimas aplink Žemę: jei niekur nevažiuosi nesisukdamas, tada anksčiau ar vėliau ateisi į tą pačią vietą.

2 pav

Gimleto taisyklė

Laidininko su srove magnetinio lauko kryptis nustatoma pagal antkaklio, medžio skylių gręžimo įrankio, taisyklę. Čia viskas labai paprasta: antdėklas turi būti pasuktas taip, kad jo transliacinis judesys sutaptų su srovės, esančios laike, kryptimi, tada rankenos sukimosi kryptis parodys, kur nukreiptas magnetinis laukas.

3 pav

„Srovė ateina iš mūsų“ - apskritimas viduryje esantis kryžius yra rodyklės, skriejančios už paveikslo plokštumos, plunksna, o ten, kur „srovė ateina link mūsų“, rodomas strėlės galas, skraidantis iš už lapo plokštumos. Bent jau toks šių paskyrimų paaiškinimas buvo pateiktas fizikos pamokose mokykloje.

Dviejų laidininkų magnetinių laukų sąveika su srove

4 pav

Jei kiekvienam laidininkui taikysime gombos taisyklę, tada, nustatę kiekvieno laidininko magnetinio lauko kryptį, galime užtikrintai pasakyti, kad traukiami laidininkai, kurių srovės kryptis yra ta pati, o jų magnetiniai laukai susideda. Laidininkai, turintys skirtingų krypčių sroves, vienas kitą atstumia, jų magnetinis laukas yra kompensuojamas.

Induktorius

Jei laidininkas su srove yra padarytas žiedo (ritės) pavidalu, tada jis turi savo magnetinius polius, šiaurę ir pietus. Bet vieno posūkio magnetinis laukas paprastai yra mažas. Apvyniojus vielą ritės pavidalu, galite pasiekti daug geresnių rezultatų. Tokia dalis vadinama induktoriumi arba tiesiog induktyvumu. Šiuo atveju atskirų posūkių magnetiniai laukai susilieja, vienas kitą sustiprindami.

5 pav

5 paveiksle parodyta, kaip gauti ritės magnetinių laukų sumą. Atrodo, kad kiekvieną posūkį galima maitinti iš jo šaltinio, kaip parodyta fig. 5.2, tačiau posūkius lengviau sujungti nuosekliai (tiesiog apvyniokite juos viena viela).

Akivaizdu, kad kuo daugiau ritė sukasi, tuo stipresnis jo magnetinis laukas. Taip pat magnetinis laukas taip pat priklauso nuo srovės per ritę. Todėl yra teisėta įvertinti ritės sugebėjimą sukurti magnetinį lauką paprasčiausiai padauginant srovę per ritę (A) iš posūkių skaičiaus (W). Ši reikšmė vadinama ampertais.

Pagrindinė ritė

Ritos sukuriamas magnetinis laukas gali būti žymiai padidintas, jei į ritę įvedama feromagnetinės medžiagos šerdis. 6 paveiksle parodyta lentelė su santykiniu įvairių medžiagų magnetiniu pralaidumu.

Pavyzdžiui, transformatoriaus plienas padarys magnetinį lauką maždaug 7–7,5 tūkstančio kartų stipresnį nei be šerdies. Kitaip tariant, šerdies viduje magnetinis laukas suks magnetinę adatą 7000 kartų stipresnę (tai galima įsivaizduoti tik protiškai).

6 pav

Paramagnetinės ir diamagnetinės medžiagos yra lentelės viršuje. Nurodomas santykinis magnetinis pralaidumas µ, palyginti su vakuumu. Taigi paramagnetinės medžiagos šiek tiek sustiprina magnetinį lauką, o diamagnetinės medžiagos šiek tiek susilpnėja.Apskritai šios medžiagos neturi ypatingo poveikio magnetiniam laukui. Nors kontūrams reguliuoti kartais naudojami dideli dažniai žalvario arba aliuminio šerdys.

Lentelės apačioje yra feromagnetinės medžiagos, kurios srove žymiai padidina ritės magnetinį lauką. Taigi, pavyzdžiui, šerdis, pagaminta iš transformatorinio plieno, padidins magnetinį lauką tiksliai 7500 kartų.

Kaip ir kaip išmatuoti magnetinį lauką

Kai reikėjo matuoti elektrinius dydžius, buvo imtasi elektronų krūvio. Iš elektrono krūvio - pakabučio buvo suformuotas labai tikras ir net apčiuopiamas vienetas, o jo pagrindu viskas pasirodė paprasta: amperas, voltas, omas, džaulė, vatas, faradas.

Ir ką galima laikyti atskaitos tašku matuojant magnetinius laukus? Kažkaip labai problemiška prisirišti prie elektrono magnetinio lauko. Todėl laidininkas yra naudojamas kaip magneto matavimo vienetas, per kurį teka 1 A nuolatinė srovė.

Magnetinio lauko charakteristikos

Pagrindinė tokia charakteristika yra įtampa (H). Tai parodo, kokia jėga magnetinis laukas veikia minėtą bandymo laidininką, jei jis vyksta vakuume. Vakuumas skirtas pašalinti aplinkos įtaką, todėl ši savybė - įtampa laikoma absoliučiai švaria. Ampre per metrą (a / m) imamas kaip įtempio vienetas. Tokia įtampa atsiranda 16 cm atstumu nuo laidininko, išilgai kurio teka 1A srovė.

Lauko stipris kalba tik apie teorinius magnetinio lauko sugebėjimus. Tikrasis gebėjimas veikti atspindi skirtingą magnetinės indukcijos vertę (B). Būtent ji parodo tikrąją jėgą, kuria magnetinis laukas veikia laidininką, kurio srovė yra 1A.

7 pav

Jei 1 m ilgio laidininku teka 1A srovė, o ji yra išstumta (pritraukta) 1 N (102 G) jėga, tada jie sako, kad magnetinės indukcijos dydis šiuo metu yra tiksliai 1 Tesla.

Magnetinė indukcija yra vektoriaus dydis, be skaitinės vertės, ji taip pat turi kryptį, kuri visada sutampa su tiriamosios magnetinės adatos kryptimi tiriamame magnetiniame lauke.

8 pav

Magnetinės indukcijos vienetas yra „Tesla“ (TL), nors praktikoje dažnai naudojamas mažesnis „Gauss“ vienetas: 1TL = 10 000 G. Ar daug ar mažai? Magnetinis laukas šalia galingo magnito gali pasiekti kelis T, šalia kompaso magnetinės adatos ne daugiau kaip 100 G, Žemės magnetinis laukas šalia paviršiaus yra apie 0,01 G ar net mažesnis.

Magnetinis srautas

Magnetinis indukcijos vektorius B apibūdina magnetinį lauką tik viename kosmoso taške. Norint įvertinti magnetinio lauko poveikį tam tikroje erdvėje, pristatoma kita sąvoka, tokia kaip magnetinis srautas (Φ).

Tiesą sakant, tai rodo magnetinės indukcijos linijų, einančių per tam tikrą erdvę, per tam tikrą plotą, skaičių: Φ = B * S * cosα. Šis paveikslas gali būti pavaizduotas kaip lietaus lašai: viena linija yra vienas lašas (B), o kartu tai yra magnetinis srautas Φ. Taip atskirų ritės posūkių jėgos magnetinės linijos sujungiamos į bendrą srovę.

9 pav

SI sistemoje Weberis (Wb) yra laikomas magnetinio srauto vienetu, toks srautas atsiranda, kai 1 T indukcija veikia 1 kv.m plotą.

Magnetinė grandinė

Įvairių prietaisų (variklių, transformatorių ir kt.) Magnetinis srautas, kaip taisyklė, praeina tam tikru būdu, vadinamas magnetine grandine arba tiesiog magnetine grandine. Jei magnetinė grandinė yra uždaryta (žiedinio transformatoriaus šerdis), tada jos varža yra maža, magnetinis srautas praeina netrukdomai, koncentruojamas šerdies viduje. Žemiau pateiktame paveikslėlyje pateikiami ričių su uždara ir atvira magnetine grandine pavyzdžiai.

10 pav

Magnetinės grandinės varža

Bet šerdį galima išpjauti ir iš jos ištraukti gabalą, kad susidarytų magnetinis tarpas. Tai padidins bendrą grandinės magnetinį atsparumą, todėl sumažės magnetinis srautas ir apskritai sumažės indukcija visoje šerdyje.Tai tas pats, kas lituoti didelę varžą elektros grandinėje.

11 pav.

Jei gautas tarpas uždaromas plieno gabalu, paaiškėja, kad lygiagrečiai tarpui yra prijungta papildoma sekcija su mažesne magnetine varža, kuri atstatys sutrikdytą magnetinį srautą. Tai labai panašu į šuntą elektros grandinėse. Beje, yra ir magnetinės grandinės dėsnis, kuris yra vadinamas Ohmo dėsniu magnetinei grandinei.

12 pav.

Pagrindinė magnetinio srauto dalis eis per magnetinį šuntą. Būtent šis reiškinys naudojamas magnetiniame garso ar vaizdo signalų įrašyme: feromagnetinis juostos sluoksnis padengia spragą magnetinių galvučių šerdyje, o visas magnetinis srautas uždaromas per juostą.

Ritinio sukuriamo magnetinio srauto kryptis gali būti nustatyta pagal dešinės rankos taisyklę: jei keturi ištiesti pirštai nurodo srovės kryptį ritėje, nykščiu bus parodyta magnetinių linijų kryptis, kaip parodyta 13 paveiksle.

 

13 pav.

Manoma, kad magnetinės linijos palieka šiaurės ašigalį ir eina į pietus. Todėl nykštis šiuo atveju nurodo pietų poliaus vietą. Patikrinkite, ar taip nėra, vėl galite naudoti kompaso adatą.

Kaip veikia elektros variklis

Yra žinoma, kad elektra gali sukurti šviesą ir šilumą, dalyvauti elektrocheminiuose procesuose. Susipažinę su magnetizmo pagrindais, galėsite pasikalbėti apie tai, kaip veikia elektros varikliai.

Elektriniai varikliai gali būti labai skirtingos konstrukcijos, galios ir veikimo principo: pavyzdžiui, nuolatinės ir kintamos srovės, laiptelio ar kolektoriaus. Tačiau dėl visų konstrukcijų įvairovės veikimo principas pagrįstas rotoriaus ir statoriaus magnetinių laukų sąveika.

Norint gauti šiuos magnetinius laukus, srovė praleidžiama per apvijas. Kuo didesnė srovė ir kuo didesnė išorinio magnetinio lauko magnetinė indukcija, tuo galingesnis variklis. Šiam laukui sustiprinti naudojamos magnetinės šerdys, todėl elektriniuose varikliuose yra tiek daug plieninių dalių. Kai kuriuose nuolatinės srovės variklių modeliuose naudojami nuolatiniai magnetai.

14 pav.

Čia, galima sakyti, viskas aišku ir paprasta: jie praleido srovę per laidą, priėmė magnetinį lauką. Sąveika su kitu magnetiniu lauku verčia šį laidininką judėti ir netgi atlikti mechaninį darbą.

Sukimosi kryptį galima nustatyti kairiosios rankos taisykle. Jei keturi ištiesti pirštai rodo srovės kryptį laidininku, o magnetinės linijos patenka į delną, sulenktas nykštis nurodo laidininko išmetimo kryptį magnetiniame lauke.

Tęsinys: Induktoriai ir magnetiniai laukai. 2 dalis. Elektromagnetinė indukcija ir induktyvumas