Cewki indukcyjne i pola magnetyczne

Po historii w sprawie stosowania kondensatorów Logiczne byłoby rozmawianie o innym przedstawicielu pasywnych radioelementów - cewkach indukcyjnych. Ale historia o nich będzie musiała zaczynać z daleka, aby pamiętać o istnieniu pola magnetycznego, ponieważ to pole magnetyczne otacza i przenika cewki, to w polu magnetycznym, najczęściej naprzemiennie, cewki działają. Krótko mówiąc, to jest ich siedlisko.

Magnetyzm jako właściwość materii

Magnetyzm jest jedną z najważniejszych właściwości materii, a także, na przykład, masy lub pola elektrycznego. Jednak zjawiska magnetyzmu, podobnie jak elektryczność, znane są od dawna, dopiero wtedy nauka nie była w stanie wyjaśnić istoty tych zjawisk. Niezrozumiałe zjawisko nazwano „magnetyzmem” pod nazwą miasta Magnezja, które kiedyś istniało w Azji Mniejszej. Z wydobywanej w pobliżu rudy uzyskano magnesy trwałe.

Ale magnesy stałe w ramach tego artykułu nie są szczególnie interesujące. Gdy tylko obiecano mówić o cewkach indukcyjnych, najprawdopodobniej będziemy mówić o elektromagnetyzmie, ponieważ nie jest tajemnicą, że nawet wokół drutu z prądem istnieje pole magnetyczne.

We współczesnych warunkach dość łatwo jest zbadać zjawisko magnetyzmu na przynajmniej początkowym poziomie. Aby to zrobić, musisz złożyć prosty obwód elektryczny z baterii i żarówki do latarki. Jako wskaźnik pola magnetycznego, jego kierunku i intensywności można użyć zwykłego kompasu.

Pole magnetyczne prądu stałego

Jak wiesz, kompas wskazuje kierunek na północ. Jeśli umieścisz druty w najprostszym wymienionym powyżej obwodzie i włączysz światło, igła kompasu nieco odchyli się od swojej normalnej pozycji.

Podłączając inną żarówkę równolegle, możesz podwoić prąd w obwodzie, co powoduje nieznaczny wzrost kąta obrotu strzałki. Sugeruje to, że pole magnetyczne drutu z prądem stało się większe. Na tej zasadzie działają przyrządy do pomiaru strzałek.

Jeśli biegunowość włączania baterii zostanie odwrócona, igła kompasu zwróci się na drugi koniec - kierunek pola magnetycznego w drutach również zmienił się w kierunku. Po wyłączeniu obwodu igła kompasu powróci do prawidłowej pozycji. W cewce nie ma prądu i nie ma pola magnetycznego.

We wszystkich tych eksperymentach kompas pełni rolę testowej igły magnetycznej, podobnie jak badanie stałego pola elektrycznego za pomocą testowego ładunku elektrycznego.

Na podstawie takich prostych eksperymentów możemy stwierdzić, że magnetyzm rodzi się z powodu prądu elektrycznego: im silniejszy ten prąd, tym silniejsze właściwości magnetyczne przewodnika. A skąd pochodzi pole magnetyczne magnesów trwałych, skoro nikt nie podłączył do nich akumulatora przewodami?

Podstawowe badania naukowe wykazały, że trwały magnetyzm oparty jest na zjawiskach elektrycznych: każdy elektron znajduje się we własnym polu elektrycznym i ma elementarne właściwości magnetyczne. Tylko w większości substancji właściwości te są wzajemnie neutralizowane iz jakiegoś powodu, z jakiegoś powodu, tworzą jeden duży magnes.

Oczywiście w rzeczywistości wszystko nie jest tak prymitywne i proste, ale ogólnie nawet magnesy trwałe mają swoje wspaniałe właściwości z powodu ruchu ładunków elektrycznych.

A jakie to są linie magnetyczne?

Linie magnetyczne można zobaczyć wizualnie. W praktyce szkolnej, na lekcjach fizyki, opiłki metalu wylewa się na arkusz tektury, a magnes stały umieszcza się poniżej. Lekkie stuknięcie w tekturę pozwala uzyskać obraz pokazany na rycinie 1.

Rycina 1

Łatwo zauważyć, że magnetyczne linie siły opuszczają biegun północny i wchodzą na południe, bez łamania. Oczywiście możemy powiedzieć, że jest wręcz przeciwnie, z południa na północ, ale dlatego jest tak zwyczajowo z północy na południe. W ten sam sposób, w jaki kiedyś przyjęli kierunek prądu od plus do minus.

Jeśli zamiast magnesu trwałego przewód prądu zostanie przepuszczony przez karton, opiłki metalowe pokażą go, przewodnik, pole magnetyczne. To pole magnetyczne ma postać koncentrycznych kołowych linii.

Aby zbadać pole magnetyczne, możesz obejść się bez trocin. Wystarczy przesunąć testową strzałkę magnetyczną wokół przewodnika prądowego, aby zobaczyć, że magnetyczne linie siły są rzeczywiście zamkniętymi koncentrycznymi okręgami. Jeśli przesuniemy strzałkę testową w stronę, w której pole magnetyczne ją odchyla, z pewnością wrócimy do tego samego punktu, od którego zaczął się ruch. Podobnie, jak chodzenie po Ziemi: jeśli nigdzie nie pójdziesz bez zawracania, to wcześniej czy później przybędziesz w to samo miejsce.

Rycina 2

Reguła świderek

Kierunek pola magnetycznego przewodnika z prądem zależy od reguły świdra, narzędzia do wiercenia otworów w drzewie. Wszystko jest tutaj bardzo proste: świder musi zostać obrócony, aby jego ruch translacyjny zbiegł się z kierunkiem prądu w drucie, a następnie kierunek obrotu rękojeści pokaże, gdzie kierowane jest pole magnetyczne.

Rycina 3

„Prąd płynie od nas” - krzyż na środku koła to upierzenie strzały lecącej poza płaszczyznę obrazu, a tam gdzie „Prąd płynie w naszą stronę”, pokazany jest czubek strzały lecącej zza płaszczyzny arkusza. Przynajmniej takie wyjaśnienie tych oznaczeń podano na lekcjach fizyki w szkole.

Oddziaływanie pól magnetycznych dwóch przewodników z prądem

Rycina 4

Jeśli zastosujemy regułę świdra do każdego przewodnika, a następnie po ustaleniu kierunku pola magnetycznego w każdym przewodzie, możemy z pewnością powiedzieć, że przyciągane są przewody o tym samym kierunku prądu, a ich pola magnetyczne sumują się. Przewodniki o prądach różnych kierunków wzajemnie odpychają się, ich pole magnetyczne jest kompensowane.

Induktor

Jeśli przewodnik z prądem jest wykonany w postaci pierścienia (cewki), wówczas ma własne bieguny magnetyczne, północ i południe. Ale pole magnetyczne jednego zwoju jest zwykle niewielkie. Możesz osiągnąć znacznie lepsze wyniki, owijając drut w postaci cewki. Taka część nazywana jest cewką indukcyjną lub po prostu indukcyjnością. W tym przypadku pola magnetyczne poszczególnych zwojów sumują się, wzmacniając się wzajemnie.

Rycina 5

Rysunek 5 pokazuje, jak uzyskać sumę pól magnetycznych cewki. Wydaje się, że możliwe jest zasilanie każdej kolejki ze źródła, jak pokazano na ryc. 5.2, ale łatwiej jest łączyć zwoje szeregowo (wystarczy owinąć je jednym drutem).

Jest oczywiste, że im więcej zwojów ma cewka, tym silniejsze jest jej pole magnetyczne. Również pole magnetyczne zależy również od prądu przepływającego przez cewkę. Dlatego uzasadnione jest oszacowanie zdolności cewki do wytworzenia pola magnetycznego po prostu przez pomnożenie prądu przez cewkę (A) przez liczbę zwojów (W). Ta wartość nazywa się amperokrętami.

Cewka rdzeniowa

Pole magnetyczne wytwarzane przez cewkę można znacznie zwiększyć, jeśli rdzeń z materiału ferromagnetycznego zostanie wprowadzony do cewki. Ryc. 6 pokazuje tabelę ze względną przenikalnością magnetyczną różnych substancji.

Na przykład stal transformatora sprawi, że pole magnetyczne będzie około 7..7,5 tysiąca razy silniejsze niż przy braku rdzenia. Innymi słowy, wewnątrz rdzenia pole magnetyczne obróci igłę magnetyczną 7000 razy silniej (można to sobie wyobrazić tylko mentalnie).

Rycina 6

Substancje paramagnetyczne i diamagnetyczne znajdują się na górze stołu. Względna przenikalność magnetyczna µ jest wskazana w stosunku do próżni. W konsekwencji substancje paramagnetyczne nieznacznie zwiększają pole magnetyczne, podczas gdy substancje diamagnetyczne nieznacznie osłabiają.Zasadniczo substancje te nie mają specjalnego wpływu na pole magnetyczne. Chociaż przy wysokich częstotliwościach czasami stosuje się rdzenie mosiężne lub aluminiowe do regulacji konturów.

Na dole tabeli znajdują się substancje ferromagnetyczne, które znacznie wzmacniają prąd magnetyczny cewki. Na przykład rdzeń ze stali transformatorowej wzmocni pole magnetyczne dokładnie 7500 razy.

Jak i jak mierzyć pole magnetyczne

Kiedy jednostki były potrzebne do pomiaru wielkości elektrycznych, ładunek elektronowy został wzięty za punkt odniesienia. Z ładunku elektronu powstała bardzo realna, a nawet namacalna jednostka, i na jej podstawie wszystko okazało się proste: amper, wolt, om, dżul, wat, farad.

A co można uznać za punkt wyjścia do pomiaru pól magnetycznych? Jakoś przyłączenie się do pola magnetycznego elektronu jest bardzo problematyczne. Dlatego przewodnik przyjmuje się jako jednostkę miary w magnetyzmie, przez którą przepływa prąd stały o wartości 1 A.

Charakterystyka pola magnetycznego

Główną taką cechą jest napięcie (H). Pokazuje z jaką siłą pole magnetyczne działa na wspomniany wyżej przewodnik testowy, jeśli dzieje się to w próżni. Próżnia ma na celu wykluczenie wpływu środowiska, dlatego tę cechę - napięcie uważa się za absolutnie czyste. Amper na metr (a / m) przyjmuje się jako jednostkę napięcia. Takie napięcie pojawia się w odległości 16 cm od przewodnika, wzdłuż którego przepływa prąd 1A.

Siła pola mówi tylko o teoretycznej zdolności pola magnetycznego. Rzeczywista zdolność do działania odzwierciedla inną wartość indukcji magnetycznej (B). To ona pokazuje rzeczywistą siłę, z jaką pole magnetyczne działa na przewodnik o prądzie 1A.

Rycina 7

Jeśli prąd 1A płynie w przewodniku o długości 1 m i jest on wypychany (przyciągany) siłą 1 N (102 G), wówczas mówią, że wielkość indukcji magnetycznej w tym punkcie wynosi dokładnie 1 Tesla.

Indukcja magnetyczna jest wielkością wektorową, oprócz wartości liczbowej, ma również kierunek, który zawsze pokrywa się z kierunkiem testowej igły magnetycznej w badanym polu magnetycznym.

Rycina 8

Jednostką indukcji magnetycznej jest Tesla (TL), chociaż w praktyce często stosuje się mniejszą jednostkę Gaussa: 1TL = 10 000 G. Czy to dużo czy mało? Pole magnetyczne w pobliżu silnego magnesu może osiągnąć kilka T, w pobliżu igły magnetycznej kompasu nie więcej niż 100 G, pole magnetyczne Ziemi w pobliżu powierzchni wynosi około 0,01 G lub nawet mniej.

Strumień magnetyczny

Wektor indukcji magnetycznej B charakteryzuje pole magnetyczne tylko w jednym punkcie przestrzeni. Aby ocenić wpływ pola magnetycznego na określoną przestrzeń, wprowadza się inną koncepcję, taką jak strumień magnetyczny (Φ).

W rzeczywistości reprezentuje liczbę linii indukcji magnetycznej przechodzących przez daną przestrzeń, przez pewien obszar: Φ = B * S * cosα. Obraz ten można przedstawić w postaci kropel deszczu: jedna linia to jedna kropla (B), a razem jest to strumień magnetyczny Φ. W ten sposób linie magnetyczne mocy poszczególnych zwojów cewki są połączone we wspólny strumień.

Rycina 9

W układzie SI Weber (Wb) jest traktowany jako jednostka strumienia magnetycznego, taki strumień występuje, gdy indukcja 1 T działa na powierzchnię 1 m2.

Obwód magnetyczny

Strumień magnetyczny w różnych urządzeniach (silnikach, transformatorach itp.) Z reguły przepływa w pewien sposób, zwany obwodem magnetycznym lub po prostu obwodem magnetycznym. Jeśli obwód magnetyczny jest zamknięty (rdzeń transformatora pierścieniowego), wówczas jego rezystancja jest niewielka, strumień magnetyczny przechodzi bez przeszkód, jest skoncentrowany wewnątrz rdzenia. Poniższy rysunek pokazuje przykłady cewek z zamkniętymi i otwartymi obwodami magnetycznymi.

Rycina 10

Rezystancja obwodu magnetycznego

Ale rdzeń można wyciąć i wyciągnąć z niego kawałek, aby utworzyć szczelinę magnetyczną. Zwiększy to całkowitą oporność magnetyczną obwodu, a zatem zmniejszy strumień magnetyczny i ogólnie zmniejszy indukcję w całym rdzeniu.To tak samo, jak lutowanie dużej rezystancji w obwodzie elektrycznym.

Rycina 11.

Jeśli powstałą szczelinę zamyka się kawałkiem stali, okazuje się, że dodatkowa sekcja o niższym oporze magnetycznym jest połączona równolegle do szczeliny, co przywróci zaburzony strumień magnetyczny. Jest to bardzo podobne do bocznika w obwodach elektrycznych. Nawiasem mówiąc, istnieje również prawo dla obwodu magnetycznego, które nazywa się prawem Ohma dla obwodu magnetycznego.

Rycina 12.

Główna część strumienia magnetycznego przejdzie przez bocznik magnetyczny. Zjawisko to stosuje się w magnetycznym zapisie sygnałów audio lub wideo: warstwa ferromagnetyczna taśmy pokrywa szczelinę w rdzeniu głowic magnetycznych, a cały strumień magnetyczny jest zamknięty przez taśmę.

Kierunek strumienia magnetycznego wytwarzanego przez cewkę można określić za pomocą reguły prawej ręki: jeśli cztery wyciągnięte palce wskazują kierunek prądu w cewce, kciuk pokaże kierunek linii magnetycznych, jak pokazano na rycinie 13.

 

Rycina 13.

Uważa się, że linie magnetyczne opuszczają biegun północny i kierują się na południe. Dlatego kciuk w tym przypadku wskazuje lokalizację bieguna południowego. Sprawdź, czy tak jest, możesz ponownie użyć igły kompasu.

Jak działa silnik elektryczny

Wiadomo, że elektryczność może wytwarzać światło i ciepło, uczestniczyć w procesach elektrochemicznych. Po zapoznaniu się z podstawami magnetyzmu możesz porozmawiać o tym, jak działają silniki elektryczne.

Silniki elektryczne mogą mieć zupełnie inną budowę, moc i zasadę działania: na przykład prąd stały i przemienny, stopień lub kolektor. Ale przy całej różnorodności konstrukcji zasada działania opiera się na oddziaływaniu pól magnetycznych wirnika i stojana.

Aby uzyskać te pola magnetyczne, prąd przechodzi przez uzwojenia. Im większy prąd i im wyższa indukcja magnetyczna zewnętrznego pola magnetycznego, tym mocniejszy silnik. Rdzenie magnetyczne służą do wzmocnienia tego pola, dlatego w silnikach elektrycznych jest tyle elementów stalowych. Niektóre modele silników prądu stałego wykorzystują magnesy trwałe.

Rycina 14.

Tutaj można powiedzieć, że wszystko jest jasne i proste: przepuszczali prąd przez drut, otrzymywali pole magnetyczne. Interakcja z innym polem magnetycznym powoduje ruch tego przewodnika, a nawet wykonywanie prac mechanicznych.

Kierunek obrotu można ustalić na podstawie reguły lewej ręki. Jeśli cztery wyciągnięte palce wskazują kierunek prądu w przewodzie, a linie magnetyczne wchodzą w dłoń, wygięty kciuk wskazuje kierunek wyrzucania przewodu w polu magnetycznym.

Kontynuacja: Cewki indukcyjne i pola magnetyczne. Część 2. Indukcja elektromagnetyczna i indukcyjność