Inductoren en magnetische velden

Na het verhaal over het gebruik van condensatoren Het zou logisch zijn om te praten over een andere vertegenwoordiger van passieve radio-elementen - inductoren. Maar het verhaal over hen zal van ver moeten beginnen, om het bestaan ​​van een magnetisch veld te herinneren, omdat het het magnetische veld is dat de spoelen omringt en doordringt, het is in een magnetisch veld, meestal wisselend, dat de spoelen werken. Kortom, dit is hun habitat.

Magnetisme als een eigenschap van materie

Magnetisme is een van de belangrijkste eigenschappen van materie, evenals bijvoorbeeld massa of elektrisch veld. De fenomenen van magnetisme, zoals elektriciteit, zijn echter al lang bekend, alleen dan kon de wetenschap de essentie van deze fenomenen niet verklaren. Een onbegrijpelijk fenomeen werd "magnetisme" genoemd door de naam van de stad Magnesia, die ooit in Klein-Azië was. Het was uit nabijgelegen erts dat permanente magneten werden verkregen.

Maar de permanente magneten in het kader van dit artikel zijn niet bijzonder interessant. Zodra het was beloofd om te praten over inductoren, zullen we hoogstwaarschijnlijk praten over elektromagnetisme, omdat het verre van een geheim is dat zelfs rond een draad met stroom een ​​magnetisch veld is.

In moderne omstandigheden is het vrij eenvoudig om het fenomeen magnetisme op het eerste niveau te onderzoeken. Om dit te doen, moet je een eenvoudig elektrisch circuit van een batterij en een lamp voor een zaklamp samenstellen. Als een indicator van het magnetische veld, de richting en intensiteit ervan, kunt u het gebruikelijke kompas gebruiken.

DC magnetisch veld

Zoals u weet, toont het kompas de richting naar het noorden. Als u de draden van het eenvoudigste bovengenoemde circuit plaatst en het licht aanzet, zal de kompasnaald enigszins afwijken van zijn normale positie.

Door een andere lamp parallel aan te sluiten, kunt u de stroom in het circuit verdubbelen, waardoor de rotatiehoek van de pijl iets groter wordt. Dit suggereert dat het magnetische veld van de draad met stroom groter is geworden. Het is op dit principe dat pijlmeetinstrumenten werken.

Als de polariteit van het inschakelen van de batterij wordt omgekeerd, draait de kompasnaald naar het andere uiteinde - de richting van het magnetische veld in de draden veranderde ook van richting. Wanneer het circuit is uitgeschakeld, keert de kompasnaald terug naar zijn rechtmatige positie. Er is geen stroom in de spoel en er is geen magnetisch veld.

In al deze experimenten speelt het kompas de rol van een magnetische testnaald, net zoals een studie van een constant elektrisch veld wordt uitgevoerd door een elektrische testlading.

Op basis van dergelijke eenvoudige experimenten kunnen we concluderen dat magnetisme wordt geboren door elektrische stroom: hoe sterker deze stroom, hoe sterker de magnetische eigenschappen van de geleider. En waar komt dan het magnetische veld van de permanente magneten vandaan, omdat niemand de batterij met draden erop heeft aangesloten?

Fundamenteel wetenschappelijk onderzoek heeft aangetoond dat permanent magnetisme gebaseerd is op elektrische fenomenen: elk elektron bevindt zich in zijn eigen elektrisch veld en heeft elementaire magnetische eigenschappen. Alleen in de meeste stoffen worden deze eigenschappen wederzijds geneutraliseerd en om welke reden dan ook, om welke reden dan ook, vormen ze één grote magneet.

Natuurlijk is alles niet zo primitief en eenvoudig, maar in het algemeen hebben zelfs permanente magneten hun prachtige eigenschappen vanwege de beweging van elektrische ladingen.

En wat voor soort magnetische lijnen zijn dat?

Magnetische lijnen kunnen visueel worden gezien. In schoolervaring, in natuurkundelessen, worden metalen vijltjes op een vel karton gegoten en wordt er een permanente magneet onder geplaatst. Licht tikken op een stuk karton kan de afbeelding in afbeelding 1 bereiken.

Figuur 1

Het is gemakkelijk te zien dat magnetische krachtlijnen de noordpool verlaten en het zuiden ingaan, zonder te breken. Natuurlijk kunnen we zeggen dat het integendeel van het zuiden naar het noorden is, maar daarom is het zo gebruikelijk van het noorden naar het zuiden. Op dezelfde manier als ze ooit de richting van de stroom hebben aangenomen van plus naar min.

Als, in plaats van een permanente magneet, een stroomdraad door een karton wordt geleid, zullen metalen vijlen het, de geleider, het magnetische veld tonen. Dit magnetische veld heeft de vorm van concentrische cirkelvormige lijnen.

Om het magnetische veld te bestuderen, kunt u het doen zonder zaagsel. Het is voldoende om de magnetische testpijl rond de stroomgeleider te bewegen om te zien dat de magnetische krachtlijnen inderdaad gesloten concentrische cirkels zijn. Als we de testpijl verplaatsen naar de kant waar het magnetisch veld het afbuigt, keren we zeker terug naar hetzelfde punt waar de beweging begon. Op dezelfde manier als rond de aarde lopen: als je nergens heen gaat zonder te draaien, dan zul je vroeg of laat op dezelfde plaats komen.

Figuur 2

Gimlet-regel

De richting van het magnetische veld van een geleider met stroom wordt bepaald door de regel van de ring, een hulpmiddel voor het boren van gaten in een boom. Alles is hier heel eenvoudig: de ring moet worden gedraaid zodat de translatiebeweging samenvalt met de richting van de stroom in de draad, dan zal de rotatierichting van de handgreep aangeven waar het magnetische veld wordt gericht.

Figuur 3

"De stroom komt van ons" - het kruis in het midden van de cirkel is het verenkleed van een pijl die voorbij het vlak van de afbeelding vliegt, en waar "De stroom komt naar ons toe", wordt de punt van de pijl van achter het vlak van het blad getoond. Althans, een dergelijke verklaring voor deze benamingen werd gegeven in natuurkundelessen op school.

De interactie van de magnetische velden van twee geleiders met stroom

Figuur 4

Als we de gimlet-regel op elke geleider toepassen en vervolgens de richting van het magnetische veld in elke geleider hebben bepaald, kunnen we met vertrouwen zeggen dat geleiders met dezelfde stroomrichting worden aangetrokken en hun magnetische velden optellen. Geleiders met stromen van verschillende richtingen zijn wederzijds afstotelijk, hun magnetisch veld wordt gecompenseerd.

inductor

Als de geleider met stroom wordt gemaakt in de vorm van een ring (spoel), heeft deze zijn eigen magnetische polen, noord en zuid. Maar het magnetische veld van één draai is meestal klein. U kunt veel betere resultaten bereiken door de draad in de vorm van een spoel te wikkelen. Zo'n onderdeel wordt een inductor of gewoon een inductantie genoemd. In dit geval tellen de magnetische velden van de individuele beurten op en versterken elkaar elkaar.

Figuur 5

Figuur 5 toont hoe de som van de magnetische velden van de spoel kan worden verkregen. Het lijkt mogelijk te zijn om elke beurt van stroom te voorzien, zoals getoond in Fig. 5.2, maar het is gemakkelijker om de beurten in serie aan te sluiten (wikkel ze gewoon met één draad).

Het is vrij duidelijk dat hoe meer bochten de spoel heeft, hoe sterker het magnetische veld. Ook hangt het magnetische veld ook af van de stroom door de spoel. Daarom is het legitiem om het vermogen van een spoel om een ​​magnetisch veld te creëren te evalueren door de stroom door de spoel (A) te vermenigvuldigen met het aantal windingen (W). Deze waarde wordt ampère - beurten genoemd.

Core spoel

Het magnetische veld dat door de spoel wordt gegenereerd, kan aanzienlijk worden verhoogd als een kern van ferromagnetisch materiaal in de spoel wordt geïntroduceerd. Figuur 6 toont een tabel met de relatieve magnetische permeabiliteit van verschillende stoffen.

Transformatorstaal zal het magnetische veld bijvoorbeeld ongeveer 7..7.5 duizend keer sterker maken dan bij afwezigheid van een kern. Met andere woorden, binnen de kern roteert het magnetische veld de magnetische naald 7.000 keer sterker (dit kan alleen mentaal worden gedacht).

Figuur 6

Paramagnetische en diamagnetische stoffen bevinden zich bovenaan de tabel. Relatieve magnetische permeabiliteit µ wordt aangegeven ten opzichte van vacuüm. Bijgevolg versterken paramagnetische stoffen het magnetische veld enigszins, terwijl diamagnetische stoffen enigszins verzwakken.Over het algemeen hebben deze stoffen geen speciaal effect op het magnetische veld. Hoewel bij hoge frequenties soms messing of aluminium kernen worden gebruikt om de contouren aan te passen.

Onderaan de tabel staan ​​ferromagnetische stoffen die het magnetische veld van de spoel met stroom aanzienlijk verbeteren. Een kern van transformatiestaal maakt het magnetische veld bijvoorbeeld precies 7.500 keer sterker.

Hoe en hoe het magnetische veld te meten

Wanneer eenheden nodig waren om elektrische grootheden te meten, werd de elektronenlading als referentie genomen. Een zeer reële en zelfs tastbare eenheid werd gevormd uit de lading van een elektron - een hanger, en op basis daarvan bleek alles eenvoudig: ampère, volt, ohm, joule, watt, farad.

En wat kan als uitgangspunt worden genomen voor het meten van magnetische velden? Op de een of andere manier is hechten aan het magnetische veld van het elektron erg problematisch. Daarom wordt een geleider aangenomen als een maateenheid in magnetisme, waardoor een gelijkstroom van 1 A vloeit.

Magnetische veldkarakteristieken

Het belangrijkste dergelijke kenmerk is spanning (H). Het laat zien met welke kracht het magnetische veld op de bovengenoemde testgeleider werkt, als het in een vacuüm gebeurt. Het vacuüm is bedoeld om de invloed van de omgeving uit te sluiten, daarom wordt deze eigenschap - spanning als absoluut schoon beschouwd. Ampère per meter (a / m) wordt genomen als de eenheid van spanning. Een dergelijke spanning verschijnt op een afstand van 16 cm van de geleider, waarlangs stroom stroomt.

De veldsterkte spreekt alleen van het theoretische vermogen van het magnetische veld. Het werkelijke vermogen om te handelen weerspiegelt een andere waarde van magnetische inductie (B). Zij is het die de werkelijke kracht toont waarmee het magnetische veld op een geleider werkt met een stroom van 1A.

Figuur 7

Als een stroom van 1A stroomt in een geleider van 1 m lang, en deze wordt uitgestoten (aangetrokken) met een kracht van 1 N (102 G), dan zeggen ze dat de grootte van de magnetische inductie op dit punt precies 1 Tesla is.

Magnetische inductie is een vectorgrootheid, heeft naast de numerieke waarde ook een richting die altijd samenvalt met de richting van de testmagneetnaald in het magnetische veld dat wordt bestudeerd.

Figuur 8

De eenheid van magnetische inductie is Tesla (TL), hoewel in de praktijk vaak een kleinere Gauss-eenheid wordt gebruikt: 1 TL = 10.000 G. Is het veel of een beetje? Het magnetische veld in de buurt van een krachtige magneet kan verschillende T bereiken, in de buurt van de magnetische naald van het kompas niet meer dan 100 G, het magnetische veld van de aarde nabij het oppervlak is ongeveer 0,01 G of zelfs lager.

Magnetische flux

De magnetische inductievector B kenmerkt het magnetische veld op slechts één punt in de ruimte. Om het effect van een magnetisch veld in een bepaalde ruimte te evalueren, wordt een ander concept geïntroduceerd, zoals magnetische flux (Φ).

In feite vertegenwoordigt het het aantal magnetische inductielijnen dat door een bepaalde ruimte gaat, door een bepaald gebied: Φ = B * S * cosα. Deze afbeelding kan worden weergegeven in de vorm van regendruppels: één lijn is één druppel (B) en samen is dit de magnetische flux Φ. Dit is hoe magnetische krachtlijnen van individuele spoelwindingen worden verbonden in een gemeenschappelijke stroom.

Figuur 9

In het SI-systeem wordt Weber (Wb) beschouwd als de eenheid van magnetische flux, een dergelijke flux treedt op wanneer een inductie van 1 T werkt op een oppervlakte van 1 m².

Magnetisch circuit

De magnetische flux in verschillende apparaten (motoren, transformatoren, etc.) passeert in de regel op een bepaalde manier, een magnetisch circuit of gewoon een magnetisch circuit genoemd. Als het magnetisch circuit gesloten is (de kern van de ringtransformator), dan is de weerstand klein, de magnetische flux gaat ongehinderd door en is geconcentreerd in de kern. De onderstaande afbeelding toont voorbeelden van spoelen met gesloten en open magnetische circuits.

Figuur 10

Magnetische circuitweerstand

Maar de kern kan worden gesneden en er kan een stuk uit worden getrokken om een ​​magnetische opening te maken. Dit zal de algehele magnetische weerstand van het circuit verhogen, daarom de magnetische flux verminderen en in het algemeen de inductie in de gehele kern verminderen.Het is hetzelfde als veel weerstand solderen in een elektrisch circuit.

Figuur 11.

Als de resulterende opening wordt geblokkeerd met een stuk staal, blijkt dat een extra sectie met een lagere magnetische weerstand parallel met de opening is verbonden, wat de verstoorde magnetische flux zou herstellen. Dit lijkt erg op een shunt in elektrische circuits. Trouwens, er is ook een wet voor het magnetische circuit, die de wet van Ohm wordt genoemd voor het magnetische circuit.

Figuur 12.

Het grootste deel van de magnetische flux gaat door de magnetische shunt. Het is dit fenomeen dat wordt gebruikt bij het magnetisch opnemen van audio- of videosignalen: de ferromagnetische laag van de band bedekt de opening in de kern van de magnetische koppen en de gehele magnetische flux wordt door de band gesloten.

De richting van de magnetische flux die door de spoel wordt gegenereerd, kan worden bepaald met behulp van de regel van de rechterhand: als vier uitgestrekte vingers de stroomrichting in de spoel aangeven, geeft de duim de richting van de magnetische lijnen aan, zoals weergegeven in figuur 13.

 

Figuur 13.

Er wordt aangenomen dat magnetische lijnen de noordpool verlaten en naar het zuiden gaan. Daarom geeft de duim in dit geval de locatie van de zuidpool aan. Controleer of dit zo is, u kunt de kompasnaald opnieuw gebruiken.

Hoe de elektromotor werkt

Het is bekend dat elektriciteit licht en warmte kan creëren en kan deelnemen aan elektrochemische processen. Nadat u de basisprincipes van magnetisme heeft leren kennen, kunt u praten over hoe elektrische motoren werken.

Elektromotoren kunnen een heel ander ontwerp, vermogen en werkingsprincipe hebben: bijvoorbeeld gelijkstroom en wisselstroom, stap of collector. Maar met alle verschillende ontwerpen, is het werkingsprincipe gebaseerd op de interactie van de magnetische velden van de rotor en de stator.

Om deze magnetische velden te verkrijgen, wordt stroom door de wikkelingen geleid. Hoe groter de stroom en hoe hoger de magnetische inductie van een extern magnetisch veld, des te krachtiger de motor. Magnetische kernen worden gebruikt om dit veld te versterken, dus er zitten zoveel stalen onderdelen in elektromotoren. Sommige DC-motormodellen gebruiken permanente magneten.

Figuur 14.

Hier kun je zeggen dat alles duidelijk en eenvoudig is: ze hebben een stroom door de draad geleid, een magnetisch veld ontvangen. Interactie met een ander magnetisch veld laat deze geleider bewegen en voert zelfs mechanisch werk uit.

De draairichting kan worden bepaald door de regel van de linkerhand. Als vier uitgestrekte vingers de richting van de stroom in de geleider aangeven en de magnetische lijnen de palm van uw hand binnendringen, geeft de gebogen duim de richting van uitwerpen van de geleider in het magnetische veld aan.

Vervolg: Inductoren en magnetische velden. Deel 2. Elektromagnetische inductie en inductie