Inductoare și câmpuri magnetice

După poveste privind utilizarea condensatoarelor Ar fi logic să vorbim despre un alt reprezentant al elementelor radio pasive - inductorii. Însă povestea despre ei va trebui să înceapă de departe, pentru a aminti existența unui câmp magnetic, pentru că este câmpul magnetic care înconjoară și pătrunde bobinele, este într-un câmp magnetic, cel mai adesea alternând, că bobinele funcționează. Pe scurt, acesta este habitatul lor.

Magnetismul ca proprietate a materiei

Magnetismul este una dintre cele mai importante proprietăți ale materiei, precum și, de exemplu, masa sau câmpul electric. Fenomenele magnetismului, la fel ca și energia electrică, sunt cunoscute de mult timp, numai atunci știința nu a putut explica esența acestor fenomene. Un fenomen de neînțeles a fost numit „magnetism” cu numele orașului Magnesia, care a fost odată în Asia Mică. Din minereul extras din apropiere s-au obținut magneți permanenți.

Dar magneții permanenți din cadrul acestui articol nu sunt deosebit de interesanți. De îndată ce s-a promis că va vorbi despre inductori, atunci vom vorbi cel mai probabil despre electromagnetism, pentru că este departe de un secret că, chiar și în jurul unui fir cu curent, există un câmp magnetic.

În condiții moderne, este destul de ușor să investigăm fenomenul magnetismului la nivelul inițial, cel puțin. Pentru a face acest lucru, trebuie să asamblați un circuit electric simplu dintr-o baterie și un bec pentru o lanternă. Ca indicator al câmpului magnetic, al direcției și intensității acestuia, puteți utiliza busola obișnuită.

Câmp magnetic DC

După cum știți, busola arată direcția către Nord. Dacă așezați firele celui mai simplu circuit menționat mai sus și porniți lumina, acul busolei se va abate oarecum de la poziția normală.

Prin conectarea unui alt bec în paralel, puteți dubla curentul în circuit, ceea ce face ca unghiul de rotație al săgeții să crească ușor. Acest lucru sugerează că câmpul magnetic al firului cu curent a devenit mai mare. Pe acest principiu funcționează instrumentele de măsurare cu săgeți.

Dacă polaritatea de pornire a bateriei este inversată, atunci acul busolei se va întoarce la celălalt capăt - direcția câmpului magnetic din fire se schimbă și în direcție. Când circuitul este oprit, acul busolei va reveni la poziția sa corectă. Nu există curent în bobină și nu există câmp magnetic.

În toate aceste experimente, busola joacă rolul unui ac magnetic test, la fel cum un studiu al unui câmp electric constant este realizat de o sarcină electrică de testare.

Pe baza unor experimente atât de simple, putem concluziona că magnetismul se naște din cauza curentului electric: cu cât este mai puternic acest curent, cu atât sunt mai puternice proprietățile magnetice ale conductorului. Și atunci de unde provine câmpul magnetic al magneților permanenți, deoarece nimeni nu a conectat bateria cu fire?

Cercetările științifice fundamentale au dovedit că magnetismul permanent se bazează pe fenomene electrice: fiecare electron este în propriul său câmp electric și are proprietăți magnetice elementare. Numai în majoritatea substanțelor aceste proprietăți se neutralizează reciproc și, din anumite motive, formează un singur magnet mare.

Desigur, de fapt, totul nu este atât de primitiv și simplu, dar, în general, chiar magneții permanenți au proprietățile lor minunate datorită mișcării sarcinilor electrice.

Și ce fel de linii magnetice sunt?

Liniile magnetice pot fi văzute vizual. În experiența școlară, în lecțiile de fizică, filamentele metalice sunt turnate pe o foaie de carton și un magnet permanent este plasat mai jos. Atingerea ușoară pe o foaie de carton poate obține imaginea prezentată în figura 1.

Figura 1

Este ușor de observat că liniile magnetice de forță părăsesc polul nord și intră în sud, fără a se rupe. Desigur, putem spune că este, dimpotrivă, de la sud la nord, dar este atât de obișnuit, prin urmare, de la nord la sud. În același mod în care au adoptat odată direcția curentului de la plus la minus.

Dacă în loc de un magnet permanent, un fir de curent este trecut printr-un carton, atunci filajele metalice îl vor arăta, conductorul, câmpul magnetic. Acest câmp magnetic are forma unor linii circulare concentrice.

Pentru a studia câmpul magnetic, puteți face fără rumeguș. Este suficient să mutați săgeata magnetică de test în jurul conductorului curent pentru a vedea că liniile de forță magnetice sunt într-adevăr cercuri concentrice închise. Dacă mutăm săgeata testului în partea în care câmpul magnetic o deviază, cu siguranță ne vom întoarce în același punct de unde am început mișcarea. În mod similar, cum ar fi să te plimbi pe Pământ: dacă nu mergi nicăieri fără să te întorci, mai devreme sau mai târziu vei ajunge în același loc.

Figura 2

Regula Gimlet

Direcția câmpului magnetic al conductorului cu curent este determinată de regula butonului, un instrument pentru găurirea găurilor dintr-un copac. Totul este foarte simplu aici: paleta trebuie rotită astfel încât mișcarea sa translațională să coincidă cu direcția curentului din sârmă, apoi direcția de rotație a mânerului va arăta către câmpul magnetic.

Figura 3

„Curentul vine de la noi” - crucea din mijlocul cercului este penajul unei săgeți care zboară dincolo de planul imaginii, iar unde „Curentul vine spre noi”, este afișat vârful săgeții care zboară datorită planului foii. Cel puțin, o astfel de explicație a acestor desemnări a fost dată în lecțiile de fizică la școală.

Interacțiunea câmpurilor magnetice a doi conductori cu curentul

Figura 4

Dacă aplicăm regula gimletului pe fiecare conductor, după ce am determinat direcția câmpului magnetic în fiecare conductor, putem spune cu încredere că conductorii cu aceeași direcție curentă sunt atrași și câmpurile lor magnetice se adaugă. Conductoarele cu curenți de direcții diferite se resping reciproc, câmpul lor magnetic este compensat.

inductor

Dacă conductorul curent este realizat sub forma unui inel (bobină), atunci are propriii poli magnetici, spre nord și sud. Dar câmpul magnetic al unei viraje este de obicei mic. Puteți obține rezultate mult mai bune prin înfășurarea firului sub formă de bobină. O astfel de parte se numește inductor sau pur și simplu inductanță. În acest caz, câmpurile magnetice ale individului se adună, întărindu-se reciproc.

Figura 5

Figura 5 arată cum se poate obține suma câmpurilor magnetice ale bobinei. Se pare că este posibil să alimentăm fiecare rotație de la sursa sa, așa cum se arată în Fig. 5.2, dar este mai ușor să conectați virajele în serie (doar înfășurați-le cu un singur fir).

Este destul de evident că cu cât mai multe rotiri are bobina, cu atât câmpul său magnetic este mai puternic. De asemenea, câmpul magnetic depinde și de curent prin bobină. Prin urmare, este legitim să evaluați capacitatea unei bobine de a crea un câmp magnetic, doar prin înmulțirea curentului prin bobină (A) cu numărul de rotații (W). Această valoare se numește ampere - viraje.

Bobina nucleara

Câmpul magnetic generat de bobină poate fi semnificativ crescut dacă un miez de material ferromagnetic este introdus în bobină. Figura 6 prezintă un tabel cu permeabilitatea magnetică relativă a diferitelor substanțe.

De exemplu, oțelul transformator va face câmpul magnetic de aproximativ 7.7.5 mii de ori mai puternic decât în ​​absența unui miez. Cu alte cuvinte, în interiorul miezului, câmpul magnetic va roti acul magnetic de 7.000 de ori mai puternic (acest lucru poate fi imaginat doar mental).

Figura 6

Substanțele paramagnetice și diamagnetice sunt localizate în partea de sus a tabelului. Permeabilitatea magnetică relativă µ este indicată în raport cu vidul. În consecință, substanțele paramagnetice îmbunătățesc ușor câmpul magnetic, în timp ce substanțele diamagnetice slăbesc ușor.În general, aceste substanțe nu au un efect special asupra câmpului magnetic. Deși, la frecvențe mari, miezurile de alamă sau aluminiu sunt uneori folosite pentru a regla contururile.

În partea de jos a mesei se află substanțe ferromagnetice care îmbunătățesc semnificativ câmpul magnetic al bobinei cu curent. Astfel, de exemplu, un miez din oțel transformator va face câmpul magnetic mai puternic de 7.500 de ori.

Cum și cum se poate măsura câmpul magnetic

Când unitățile au fost necesare pentru a măsura cantitățile electrice, încărcarea electronilor a fost luată ca referință. Din încărcarea unui electron s-a format o unitate foarte reală și chiar tangibilă, un pandantiv și, pe baza sa, totul s-a dovedit simplu: ampere, volt, ohm, joule, watt, farad.

Și ce poate fi luat ca punct de plecare pentru măsurarea câmpurilor magnetice? Cumva atașarea la câmpul magnetic al electronului este foarte problematică. Prin urmare, un conductor este adoptat ca unitate de măsură în magnetism, prin care curge un curent direct de 1 A.

Caracteristicile câmpului magnetic

Această caracteristică principală este tensiunea (H). Acesta arată cu ce forță acționează câmpul magnetic asupra conductorului de testare menționat mai sus, dacă se întâmplă în vid. Vacumul este destinat să excludă influența mediului, de aceea această caracteristică - tensiunea este considerată absolut curată. Amperi pe metru (a / m) este luat ca unitate de tensiune. O astfel de tensiune apare la o distanță de 16 cm de conductor, de-a lungul căreia curge 1A curent.

Forța câmpului vorbește doar despre abilitatea teoretică a câmpului magnetic. Capacitatea reală de acțiune reflectă o valoare diferită a inducției magnetice (B). Ea este cea care arată forța reală cu care câmpul magnetic acționează asupra unui conductor cu un curent de 1A.

Figura 7

Dacă un curent de 1A curge într-un conductor lung de 1 m și este împins (atras) cu o forță de 1 N (102 G), atunci ei spun că magnitudinea inducției magnetice în acest moment este exact 1 Tesla.

Inducția magnetică este o cantitate vectorială, pe lângă valoarea numerică, are și o direcție care coincide întotdeauna cu direcția acului magnetic de încercare în câmpul magnetic studiat.

Figura 8

Unitatea de inducție magnetică este Tesla (TL), deși în practică folosesc adesea o unitate mai mică de Gauss: 1TL = 10.000 G. Este mult sau puțin? Câmpul magnetic din apropierea unui magnet puternic poate atinge mai multe T, lângă acul magnetic al busolei nu mai mult de 100 G, câmpul magnetic al Pământului în apropierea suprafeței este de aproximativ 0,01 G sau chiar mai mic.

Fluxul magnetic

Vectorul magnetic de inducție B caracterizează câmpul magnetic într-un singur punct din spațiu. Pentru a evalua efectul unui câmp magnetic într-un anumit spațiu, este introdus un concept precum fluxul magnetic (Φ).

De fapt, reprezintă numărul de linii de inducție magnetică care trece printr-un spațiu dat, printr-o anumită zonă: Φ = B * S * cosα. Această imagine poate fi reprezentată sub formă de picături de ploaie: o linie este o picătură (B) și împreună este fluxul magnetic Φ. Așa se face că liniile magnetice de putere ale cotiturilor individuale ale bobinei sunt conectate într-un flux comun.

Figura 9

În sistemul SI, Weber (Wb) este luat ca unitate de flux magnetic, un astfel de flux are loc atunci când o inducție de 1 T acționează pe o suprafață de 1 mp.

Circuit magnetic

Fluxul magnetic în diferite dispozitive (motoare, transformatoare etc.), de regulă, trece într-un anumit fel, numit circuit magnetic sau pur și simplu circuit magnetic. Dacă circuitul magnetic este închis (miezul transformatorului inelar), atunci rezistența acestuia este mică, fluxul magnetic trece fără obstacole, este concentrat în interiorul miezului. Figura de mai jos prezintă exemple de bobine cu circuite magnetice închise și deschise.

Figura 10

Rezistența circuitului magnetic

Dar miezul poate fi tăiat și o bucată poate fi scos din el, pentru a face un gol magnetic. Aceasta va crește rezistența magnetică totală a circuitului, prin urmare, va reduce fluxul magnetic și, în general, va reduce inducția în întregul miez.Este la fel ca lipirea multor rezistențe într-un circuit electric.

Figura 11.

Dacă decalajul rezultat este închis cu o bucată de oțel, se dovedește că o secțiune suplimentară cu o rezistență magnetică mai mică este conectată paralel cu golul, ceea ce va restabili fluxul magnetic perturbat. Acest lucru este foarte asemănător cu un șoc în circuitele electrice. Apropo, există și o lege pentru circuitul magnetic, care se numește legea lui Ohm pentru circuitul magnetic.

Figura 12.

Partea principală a fluxului magnetic va trece prin șuntul magnetic. Acest fenomen este folosit în înregistrarea magnetică a semnalelor audio sau video: stratul feromagnetic al benzii acoperă golul din miezul capetelor magnetice, iar întregul flux magnetic este închis prin bandă.

Direcția fluxului magnetic generat de bobină poate fi determinată folosind regula mâinii drepte: dacă patru degete întinse indică direcția curentului în bobină, degetul mare va arăta direcția liniilor magnetice, așa cum se arată în figura 13.

 

Figura 13.

Se crede că liniile magnetice părăsesc polul nord și merg în sud. Prin urmare, degetul mare în acest caz indică locația polului sud. Verificați dacă este așa, puteți folosi din nou acul busolei.

Cum funcționează motorul electric

Se știe că energia electrică poate crea lumină și căldură, poate participa la procesele electrochimice. După ce ați făcut cunoștință cu elementele de bază ale magnetismului, puteți vorbi despre modul în care funcționează motoarele electrice.

Motoarele electrice pot avea un design, putere și principiu de funcționare foarte diferite: de exemplu, curent continuu și alternativ, pas sau colector. Dar, cu toată varietatea de proiectări, principiul funcționării se bazează pe interacțiunea câmpurilor magnetice ale rotorului și statorului.

Pentru a obține aceste câmpuri magnetice, curentul este trecut prin înfășurări. Cu cât este mai mare curentul și cu cât este mai mare inducția magnetică a unui câmp magnetic extern, cu atât motorul este mai puternic. Nucleele magnetice sunt utilizate pentru a consolida acest câmp, astfel încât există motoare electrice atât de multe din oțel. Unele modele cu motor DC folosesc magneți permanenți.

Figura 14.

Aici, puteți spune, totul este clar și simplu: au trecut un curent prin sârmă, au primit un câmp magnetic. Interacțiunea cu un alt câmp magnetic face ca acest conductor să se miște și chiar să efectueze lucrări mecanice.

Direcția de rotație poate fi determinată de regula mâinii stângi. Dacă patru degete întinse indică direcția curentului în conductor și liniile magnetice intră în palma mâinii tale, degetul mare îndoit va indica direcția de evacuare a conductorului într-un câmp magnetic.

continuare: Inductoare și câmpuri magnetice. Partea 2. Inducție și inductanță electromagnetică