Indutores e campos magnéticos

Depois da história sobre o uso de capacitores Seria lógico falar sobre outro representante de radioelementos passivos - indutores. Mas a história sobre eles terá que começar de longe, para lembrar a existência de um campo magnético, porque é o campo magnético que circunda e penetra as bobinas; é em um campo magnético, na maioria das vezes alternado, que as bobinas funcionam. Em suma, este é o seu habitat.

Magnetismo como propriedade da matéria

O magnetismo é uma das propriedades mais importantes da matéria, bem como, por exemplo, campo elétrico ou de massa. Os fenômenos do magnetismo, no entanto, como a eletricidade, são conhecidos há muito tempo; somente então a ciência não poderia explicar a essência desses fenômenos. Um fenômeno incompreensível foi chamado de "magnetismo" pelo nome da cidade de Magnésia, que já foi na Ásia Menor. Foi de minério extraído nas proximidades que ímãs permanentes foram obtidos.

Mas os ímãs permanentes na estrutura deste artigo não são particularmente interessantes. Assim que foi prometido falar sobre indutores, provavelmente falaremos sobre eletromagnetismo, porque está longe de ser um segredo que, mesmo ao redor de um fio com corrente, haja um campo magnético.

Nas condições modernas, é bastante fácil investigar o fenômeno do magnetismo no nível inicial, pelo menos. Para fazer isso, você precisa montar um circuito elétrico simples a partir de uma bateria e uma lâmpada para uma lanterna. Como um indicador do campo magnético, sua direção e intensidade, você pode usar a bússola usual.

Campo magnético DC

Como você sabe, a bússola mostra a direção para o norte. Se você colocar os fios do circuito mais simples mencionado acima e acender a luz, a agulha da bússola se afastará um pouco da sua posição normal.

Ao conectar outra lâmpada em paralelo, você pode dobrar a corrente no circuito, o que aumenta ligeiramente o ângulo de rotação da seta. Isso sugere que o campo magnético do fio com corrente se tornou maior. É nesse princípio que os instrumentos de medição de flechas funcionam.

Se a polaridade de ligar a bateria for invertida, a agulha da bússola girará para a outra extremidade - a direção do campo magnético nos fios também mudou de direção. Quando o circuito é desligado, a agulha da bússola retornará à sua posição correta. Não há corrente na bobina e não há campo magnético.

Em todas essas experiências, a bússola desempenha o papel de uma agulha magnética de teste, assim como o estudo de um campo elétrico constante é realizado por uma carga elétrica de teste.

Com base em experimentos tão simples, podemos concluir que o magnetismo nasce devido à corrente elétrica: quanto mais forte essa corrente, mais fortes são as propriedades magnéticas do condutor. E então de onde vem o campo magnético dos ímãs permanentes, já que ninguém conectou a bateria com fios?

Pesquisas científicas fundamentais provaram que o magnetismo permanente é baseado em fenômenos elétricos: cada elétron está em seu próprio campo elétrico e possui propriedades magnéticas elementares. Somente na maioria das substâncias essas propriedades são mutuamente neutralizadas e, por algum motivo, por algum motivo, formam um grande ímã.

Certamente, de fato, nem tudo é tão primitivo e simples, mas, em geral, até os ímãs permanentes têm suas maravilhosas propriedades devido ao movimento de cargas elétricas.

E que tipo de linhas magnéticas são elas?

Linhas magnéticas podem ser vistas visualmente. Na experiência escolar, nas aulas de física, limalhas de metal são derramadas sobre uma folha de papelão e um ímã permanente é colocado abaixo. Tocar levemente em uma folha de papelão pode obter a imagem mostrada na Figura 1.

Figura 1

É fácil ver que as linhas magnéticas de força deixam o pólo norte e entram no sul, sem quebrar. Certamente, podemos dizer que é, pelo contrário, do sul para o norte, mas é tão habitual, portanto, do norte para o sul. Da mesma maneira que eles adotaram a direção da corrente de mais para menos.

Se, em vez de um ímã permanente, um fio de corrente passar através de um cartão, os limalhas de metal mostrarão o condutor, o campo magnético. Este campo magnético tem a forma de linhas circulares concêntricas.

Para estudar o campo magnético, você pode fazer sem serragem. Basta mover a flecha magnética de teste em torno do condutor atual para ver que as linhas de força magnéticas são de fato círculos concêntricos fechados. Se movermos a seta de teste para o lado em que o campo magnético a desvia, certamente retornaremos ao mesmo ponto em que o movimento começou. Da mesma forma, como andar pela Terra: se você não for a lugar nenhum sem se virar, mais cedo ou mais tarde chegará ao mesmo lugar.

Figura 2

Regra de verruma

A direção do campo magnético de um condutor com corrente é determinada pela regra do verruma, uma ferramenta para fazer furos em uma árvore. Tudo é muito simples aqui: o gimlet deve ser girado para que seu movimento de translação coincida com a direção da corrente no fio, então a direção de rotação da alça mostrará para onde o campo magnético é direcionado.

Figura 3

“A corrente está vindo de nós” - a cruz no meio do círculo é a plumagem de uma flecha voando além do plano da imagem e, onde “A corrente está vindo em nossa direção”, é mostrada a ponta da flecha devido ao plano da folha. Pelo menos, uma explicação dessas designações foi dada nas aulas de física da escola.

A interação dos campos magnéticos de dois condutores com a corrente

Figura 4

Se aplicarmos a regra do verruma a cada condutor, depois de determinar a direção do campo magnético em cada condutor, podemos dizer com confiança que os condutores com a mesma direção atual são atraídos e seus campos magnéticos se somam. Condutores com correntes de direções diferentes são mutuamente repulsivos, seu campo magnético é compensado.

Indutor

Se o condutor com corrente é feito na forma de um anel (bobina), ele possui seus próprios pólos magnéticos, norte e sul. Mas o campo magnético de uma volta é geralmente pequeno. Você pode obter resultados muito melhores enrolando o fio na forma de uma bobina. Essa parte é chamada indutor ou simplesmente indutância. Nesse caso, os campos magnéticos das voltas individuais se somam, reforçando-se mutuamente.

Figura 5

A Figura 5 mostra como obter a soma dos campos magnéticos da bobina. Parece ser possível alimentar cada turno a partir de sua fonte, como mostrado na Fig. 5.2, mas é mais fácil conectar as curvas em série (basta envolvê-las com um fio).

É bastante óbvio que quanto mais voltas a bobina tiver, mais forte será o seu campo magnético. Além disso, o campo magnético também depende da corrente através da bobina. Portanto, é legítimo avaliar a capacidade de uma bobina de criar um campo magnético simplesmente multiplicando a corrente pela bobina (A) pelo número de voltas (W). Esse valor é chamado de ampères - voltas.

Bobina do núcleo

O campo magnético gerado pela bobina pode ser aumentado significativamente se um núcleo de material ferromagnético for introduzido na bobina. A Figura 6 mostra uma tabela com a permeabilidade magnética relativa de várias substâncias.

Por exemplo, o aço do transformador tornará o campo magnético aproximadamente 7,5 mil vezes mais forte do que na ausência de um núcleo. Em outras palavras, dentro do núcleo, o campo magnético gira a agulha magnética 7.000 vezes mais forte (isso só pode ser imaginado mentalmente).

Figura 6

As substâncias paramagnéticas e diamagnéticas estão localizadas na parte superior da tabela. A permeabilidade magnética relativa µ é indicada em relação ao vácuo. Consequentemente, as substâncias paramagnéticas aumentam levemente o campo magnético, enquanto as substâncias diamagnéticas enfraquecem levemente.Em geral, essas substâncias não têm um efeito especial no campo magnético. Embora, em altas frequências, às vezes sejam usados ​​núcleos de latão ou alumínio para ajustar os contornos.

Na parte inferior da tabela existem substâncias ferromagnéticas que aumentam significativamente o campo magnético da bobina com a corrente. Assim, por exemplo, um núcleo feito de aço do transformador tornará o campo magnético mais forte exatamente 7.500 vezes.

Como e como medir o campo magnético

Quando as unidades eram necessárias para medir quantidades elétricas, a carga de elétrons era tomada como referência. Uma unidade muito real e até tangível foi formada a partir da carga de um elétron - um pendente e, em sua base, tudo acabou sendo simples: ampere, volt, ohm, joule, watt, farad.

E o que pode ser tomado como ponto de partida para medir campos magnéticos? De alguma forma, a ligação ao campo magnético do elétron é muito problemática. Portanto, um condutor é adotado como uma unidade de medida em magnetismo, através da qual uma corrente direta de 1 A flui.

Características do campo magnético

A principal característica é a tensão (H). Ele mostra com que força o campo magnético age no condutor de teste mencionado acima, se ocorrer no vácuo. O vácuo pretende excluir a influência do meio ambiente, portanto, essa característica - a tensão é considerada absolutamente limpa. O ampère por metro (a / m) é considerado a unidade de tensão. Essa tensão aparece a uma distância de 16 cm do condutor, ao longo do qual flui a corrente 1A.

A força do campo fala apenas da capacidade teórica do campo magnético. A capacidade real de agir reflete um valor diferente da indução magnética (B). É ela quem mostra a força real com a qual o campo magnético atua sobre um condutor com uma corrente de 1A.

Figura 7

Se uma corrente de 1A flui em um condutor de 1 m de comprimento e é empurrada (atraída) com uma força de 1 N (102 G), eles dizem que a magnitude da indução magnética nesse ponto é exatamente 1 Tesla.

A indução magnética é uma quantidade vetorial, além do valor numérico, também possui uma direção que sempre coincide com a direção da agulha magnética de teste no campo magnético em estudo.

Figura 8

A unidade de indução magnética é Tesla (TL), embora na prática eles usem frequentemente uma unidade menor de Gauss: 1TL = 10.000G. É muito ou pouco? O campo magnético perto de um poderoso ímã pode atingir vários T, próximo à agulha magnética da bússola não mais que 100 G, o campo magnético da Terra perto da superfície é de cerca de 0,01 G ou até mais baixo.

Fluxo magnético

O vetor de indução magnética B caracteriza o campo magnético em apenas um ponto no espaço. Para avaliar o efeito de um campo magnético em um determinado espaço, é introduzido outro conceito como fluxo magnético (Φ).

De fato, representa o número de linhas de indução magnética que passam através de um determinado espaço, por alguma área: Φ = B * S * cosα. Esta imagem pode ser representada na forma de gotas de chuva: uma linha é uma gota (B) e, juntas, é o fluxo magnético Φ. É assim que as linhas magnéticas de potência das voltas individuais da bobina são conectadas em um fluxo comum.

Figura 9

No sistema SI, Weber (Wb) é tomado como a unidade de fluxo magnético; esse fluxo ocorre quando uma indução de 1 T atua em uma área de 1 metro quadrado.

Circuito magnético

O fluxo magnético em vários dispositivos (motores, transformadores, etc.), via de regra, passa de uma certa maneira, chamado circuito magnético ou simplesmente circuito magnético. Se o circuito magnético estiver fechado (o núcleo do transformador de anel), sua resistência será pequena, o fluxo magnético passará sem impedimentos e concentrado dentro do núcleo. A figura abaixo mostra exemplos de bobinas com circuitos magnéticos fechados e abertos.

Figura 10

Resistência do circuito magnético

Mas o núcleo pode ser cortado e um pedaço pode ser puxado para fora, para criar um espaço magnético. Isso aumentará a resistência magnética geral do circuito, portanto, reduzirá o fluxo magnético e, geralmente, reduzirá a indução em todo o núcleo.É o mesmo que soldar muita resistência em um circuito elétrico.

Figura 11.

Se a folga resultante for fechada com uma peça de aço, uma seção adicional com menor resistência magnética foi conectada paralela à folga, o que restaurará o fluxo magnético perturbado. Isso é muito semelhante a uma derivação em circuitos elétricos. A propósito, também existe uma lei para o circuito magnético, chamada lei de Ohm para o circuito magnético.

Figura 12.

A parte principal do fluxo magnético passará pelo desvio magnético. É esse fenômeno que é usado na gravação magnética de sinais de áudio ou vídeo: a camada ferromagnética da fita cobre a lacuna no núcleo das cabeças magnéticas e todo o fluxo magnético é fechado através da fita.

A direção do fluxo magnético gerado pela bobina pode ser determinada usando a regra da mão direita: se quatro dedos estendidos indicarem a direção da corrente na bobina, o polegar mostrará a direção das linhas magnéticas, como mostra a Figura 13.

 

Figura 13.

Acredita-se que as linhas magnéticas saiam do pólo norte e vão para o sul. Portanto, o polegar neste caso indica a localização do polo sul. Verifique se é assim, você pode novamente usando a agulha da bússola.

Como funciona o motor elétrico

Sabe-se que a eletricidade pode criar luz e calor, participar de processos eletroquímicos. Depois de se familiarizar com o básico do magnetismo, você pode falar sobre como os motores elétricos funcionam.

Os motores elétricos podem ter um design, potência e princípio de operação muito diferentes: por exemplo, corrente direta e alternada, passo ou coletor. Porém, com toda a variedade de projetos, o princípio de operação é baseado na interação dos campos magnéticos do rotor e do estator.

Para obter esses campos magnéticos, a corrente é passada pelos enrolamentos. Quanto maior a corrente e maior a indução magnética de um campo magnético externo, mais potente é o motor. Núcleos magnéticos são usados ​​para fortalecer esse campo, de modo que existem muitas peças de aço em motores elétricos. Alguns modelos de motores CC usam ímãs permanentes.

Figura 14.

Aqui, você pode dizer, tudo é claro e simples: eles passaram uma corrente pelo fio, receberam um campo magnético. A interação com outro campo magnético faz esse condutor se mover e até executar trabalhos mecânicos.

A direção da rotação pode ser determinada pela regra da mão esquerda. Se quatro dedos estendidos indicarem a direção da corrente no condutor e as linhas magnéticas entrarem na palma da sua mão, o polegar dobrado indicará a direção da ejeção do condutor em um campo magnético.

Continuação: Indutores e campos magnéticos. Parte 2. Indução e indutância eletromagnética