Mähise magnetiline toime. Vooluga pooli magnetväli. Mida ja kuidas mõõta magnetvälja

Juht, mille kaudu voolab elektrivool, loob magnetvälja, mida iseloomustab intensiivsuse vektor `H(joonis 3). Magnetvälja tugevus järgib superpositsiooni põhimõtet

ja vastavalt Biot-Savart-Laplace'i seadusele,

kus ma on voolu tugevus juhis, on vektor, mille pikkus on juhi elementaarsegmendi pikkus ja mis on suunatud voolu suunas, `r on raadiuse vektor, mis ühendab elementi vaadeldava punktiga P.

Üks levinumaid voolujuhtmete konfiguratsioone on mähis raadiusega R rõnga kujul (joonis 3, a). Sellise voolu magnetväli sümmeetriatelge läbival tasapinnal on kuju (vt joonis 3, b). Väljal tervikuna peab olema pöörlemissümmeetria z-telje suhtes (joonis 3, b) ja jõujooned ise peavad olema sümmeetrilised ahela tasapinna (tasapinna) suhtes xy). Juhi vahetus läheduses olev väli sarnaneb pika sirge juhtme läheduses oleva väljaga, kuna ahela kaugemate osade mõju on siin suhteliselt väike. Ringvoolu teljel on väli suunatud piki telge Z.

Arvutame magnetvälja tugevuse rõnga teljel punktis, mis asub rõnga tasapinnast kaugusel z. Valemi (6) kohaselt piisab vektori z-komponendi arvutamisest:

. (7)

Integreerides üle kogu rõnga, saame òd l= 2p R. Kuna Pythagorase teoreemi järgi r 2 = R 2 + z 2 , siis on telje punktis nõutav väli

. (8)

vektori suund `H saab suunata õige kruvi reegli järgi.

Sõrmuse keskel z= 0 ja valem (8) on lihtsustatud:

Oleme huvitatud lühike mähis- silindriline traadipool, mis koosneb N sama raadiusega pöördeid. Telgsümmeetria tõttu ja superpositsiooni põhimõtte kohaselt on sellise pooli magnetväli H-teljel üksikute pöörete väljade algebraline summa H mina:. Seega lühikese mähise magnetväli, mis sisaldab N pöördeni, arvutatakse telje suvalises punktis valemitega

, , (10)

kus H- pinge, B- magnetvälja induktsioon.

Vooluga solenoidi magnetväli

Magnetvälja induktsiooni arvutamiseks solenoidis kasutatakse teoreemi magnetilise induktsiooni vektori ringluse kohta:

, (11)

kus on ahelaga kaetud voolude algebraline summa L vaba vorm, n- vooluringiga kaetud vooludega juhtide arv. Sel juhul võetakse iga voolu arvesse nii mitu korda, kui see on vooluringiga kaetud ja voolu loetakse positiivseks, mille suund moodustab parempoolse kruvisüsteemi koos möödaviigu suunaga mööda ahelat - vooluringi element L.

Rakendame teoreemi magnetinduktsiooni vektori tsirkulatsiooni kohta pikkusega solenoidile l millel N vooluga pööretega ma(joonis 4). Arvutamisel võtame arvesse, et peaaegu kogu väli on koondunud solenoidi sisse (servaefektid on tähelepanuta jäetud) ja see on homogeenne. Siis on valem 11 kujul:

kust leiame solenoidi sees oleva voolu tekitatud magnetvälja induktsiooni:

Riis. 4. Voolu ja selle magnetväljaga solenoid

Paigaldusskeem

Riis. 5 Paigalduse skemaatiline diagramm

1 - magnetvälja induktsioonimõõtur (teslameeter), A - ampermeeter, 2 - ühendusjuhe, 3 - mõõtesond, 4 - Halli andur *, 5 - uuritav objekt (lühike mähis, sirge juht, solenoid), 6 - vooluallikas, 7 - joonlaud anduri asukoha fikseerimiseks, 8 - sondi hoidik.

* - anduri tööpõhimõte põhineb Halli efekti fenomenil (vt laboritöö nr 15 Halli efekti uuring)

Töökäsk

1. Lühikese pooli magnetvälja uurimine

1.1. Lülitage seadmed sisse. Toiteallika ja teslamomeetri lülitid asuvad tagapaneelidel.

1.2. Uuritava objektina 5 (vt joonis 5) asetage hoidikusse lühike mähis ja ühendage see vooluallikaga 6.

1.3. Seadke allika 6 pingeregulaator keskmisesse asendisse. Seadke voolutugevus nulliks, reguleerides allika 6 voolutugevuse väljundit ja juhtige seda ampermeetriga (väärtus peab olema null).

1.4. Jämeregulaatorid 1 ja peenhäälestus 2 (joonis 6) saavutavad teslamomeetri nullnäidud.

1.5. Paigaldage hoidik koos mõõtesondiga joonlauale lugemiseks mugavasse kohta - näiteks 300 mm koordinaadile. Tulevikus võtke see positsioon nulliks. Paigaldamisel ja mõõtmiste ajal jälgige paralleelsust sondi ja joonlaua vahel.

1.6. Asetage hoidik koos lühikese mähisega nii, et Halli andur 4 oleks mähise keerdude keskel (joonis 7). Selleks kasutage sondihoidja kinnitus- ja kõrguse reguleerimise kruvi. Mähise tasapind peab olema sondiga risti. Mõõtmiste ettevalmistamise käigus liigutage hoidikut koos uuritava prooviga, jättes mõõtesondi liikumatuks.

1.7. Veenduge, et teslamomeetri soojenemise ajal jääksid selle näidud nulli. Kui seda ei tehta, seadke teslameeter proovis nullvoolu korral nulli.

1.8. Seadke lühise pooli vooluks 5 A (reguleerides toiteallika 6, Constanter/Netzgerät Universal väljundit).

1.9. Mõõtke magnetilist induktsiooni B exp mähise teljel sõltuvalt kaugusest pooli keskpunktist. Selleks liigutage sondi hoidikut piki joonlauda, hoides paralleelselt algse asendiga. Negatiivsed z väärtused vastavad sondi nihkele algsest väiksemate koordinaatide alale ja vastupidi - positiivsed z väärtused - suurte koordinaatide alale. Sisestage andmed tabelisse 1.

Tabel 1 Lühikese mähise telje magnetilise induktsiooni sõltuvus kaugusest pooli keskpunktist

1.10. Korrake punkte 1.2 - 1.7.

1.11. Mõõtke mähise keskpunkti induktsiooni sõltuvust mähist läbiva voolu tugevusest. Sisestage andmed tabelisse 2.

Tabel 2 Lühikese pooli keskpunkti magnetinduktsiooni sõltuvus voolutugevusest selles

2. Solenoidi magnetvälja uurimine

2.1. 5. uuritava objektina asetage solenoid mittemagnetilisest materjalist reguleeritava kõrgusega metallist pingile (joonis 8).

2.2. Korda 1.3 - 1.5.

2.3. Reguleerige pingi kõrgust nii, et mõõtesond liiguks mööda solenoidi sümmeetriatelge ja Halli andur oleks solenoidi pöörete keskel.

2.4. Korrake samme 1.7–1.11 (lühikese mähise asemel kasutatakse solenoidi). Sisestage andmed vastavalt tabelitesse 3 ja 4. Sel juhul määrake solenoidi keskpunkti koordinaat järgmiselt: paigaldage Halli andur solenoidi algusesse ja fikseerige hoidiku koordinaat. Seejärel liigutage hoidikut piki joonlauda piki solenoidi telge, kuni anduri ots on solenoidi teisel küljel. Kinnitage hoidiku koordinaat selles asendis. Solenoidi keskkoordinaat on võrdne kahe mõõdetud koordinaadi aritmeetilise keskmisega.

Tabel 3 Magnetilise induktsiooni sõltuvus solenoidteljel kaugusest selle keskpunktist.

2.5. Korrake punkte 1.3 - 1.7.

2.6. Mõõtke solenoidi keskpunkti induktsiooni sõltuvust mähist läbiva voolu tugevusest. Sisestage andmed tabelisse 4.

Tabel 4 Magnetilise induktsiooni sõltuvus solenoidi keskmes voolutugevusest selles

3. Vooluga otsejuhi magnetvälja uurimine

3.1. Uuritava objektina 5 paigaldage vooluga sirge juht (joon. 9, a). Selleks ühendage ampermeetrist ja toiteallikast tulevad juhtmed omavahel (lühistage välisahel) ja asetage juht otse sondi 3 servale anduri 4 lähedale, sondiga risti (joonis 9, b). . Juhi toestamiseks kasutage sondi ühel küljel mittemagnetilisest materjalist reguleeritava kõrgusega metallpinki ja teisel pool testproovide hoidikut (üks hoidiku pesadest võib sisaldada juhtmeklemmi, mis võimaldab sondi usaldusväärsemalt fikseerida. see dirigent). Andke juhile sirge kuju.

3.2. Korrake punkte 1.3 - 1.5.

3.3. Määrata magnetinduktsiooni sõltuvus voolutugevusest juhis. Sisestage mõõdetud andmed tabelisse 5.

Tabel 5 Sirgejuhi tekitatud magnetinduktsiooni sõltuvus selles olevast voolutugevusest

4. Uuritavate objektide parameetrite määramine

4.1. Määrake (vajadusel mõõtke) ja kandke tabelisse 6 arvutusteks vajalikud andmed: N kuni on lühikese mähise keerdude arv, R on selle raadius; N s on solenoidi pöörete arv, l- selle pikkus, L- selle induktiivsus (näidatud solenoidil), d on selle läbimõõt.

Tabel 6 Uuritud valimite parameetrid

N To	R	N Koos	d	l	L

Tulemuste töötlemine

1. Arvutage valemi (10) abil lühikese vooluga pooli tekitatud magnetinduktsioon. Sisestage andmed tabelitesse 1 ja 2. Konstrueerige tabeli 1 andmete põhjal magnetinduktsiooni teoreetilised ja eksperimentaalsed sõltuvused lühikese pooli teljel kauguselt z pooli keskpunktini. Teoreetilised ja eksperimentaalsed sõltuvused on kantud samadele koordinaattelgedele.

2. Koostage tabeli 2 andmete põhjal lühikese mähise keskpunkti magnetinduktsiooni teoreetilised ja eksperimentaalsed sõltuvused selles olevast voolutugevusest. Teoreetilised ja eksperimentaalsed sõltuvused on kantud samadele koordinaattelgedele. Arvutage valemi (10) abil magnetvälja tugevus mähise keskel, mille voolutugevus on 5 A.

3. Arvutage valemi (12) abil solenoidi tekitatud magnetinduktsioon. Sisestage andmed tabelitesse 3 ja 4. Vastavalt tabelile 3 joonistage magnetinduktsiooni teoreetilised ja eksperimentaalsed sõltuvused solenoidi teljel kauguselt z selle keskpunktini. Teoreetilised ja eksperimentaalsed sõltuvused on kantud samadele koordinaattelgedele.

4. Koostage tabeli 4 andmete põhjal solenoidi keskpunkti magnetinduktsiooni teoreetilised ja eksperimentaalsed sõltuvused selles olevast voolutugevusest. Teoreetilised ja eksperimentaalsed sõltuvused on kantud samadele koordinaattelgedele. Arvutage magnetvälja tugevus solenoidi keskel, mille voolutugevus on 5 A.

5. Koostage juhi tekitatud magnetinduktsiooni eksperimentaalne sõltuvus selles olevast voolutugevusest vastavalt tabelile 5.

6. Määrake valemi (5) põhjal lühim vahemaa r o andurist vooluga juhini (selle kauguse määrab juhtme isolatsiooni paksus ja anduri isolatsiooni paksus sondis). Sisestage arvutuse tulemused tabelisse 5. Arvutage aritmeetiline keskmine r o , võrrelge visuaalselt vaadeldava väärtusega.

7. Arvutage solenoidi induktiivsus L. Sisestage arvutuste tulemused tabelisse 4. Võrrelge saadud keskmist väärtust L fikseeritud induktiivsuse väärtusega tabelis 6. Arvutamiseks kasuta valemit, kus Y- vooluühendus, Y = N koos BS-ga, kus V- magnetiline induktsioon solenoidis (vastavalt tabelile 4), S=p d 2/4 on solenoidi ristlõikepindala.

Kontrollküsimused

1. Mis on Biot-Savart-Laplace'i seadus ja kuidas seda rakendada voolu juhtivate juhtide magnetväljade arvutamisel?

2. Kuidas määratakse vektori suund H Biot-Savart-Laplace'i seaduses?

3. Kuidas on magnetinduktsiooni vektorid omavahel seotud B ja pinget H omavahel? Mis on nende mõõtühikud?

4. Kuidas kasutatakse Biot-Savart-Laplace'i seadust magnetväljade arvutamisel?

5. Kuidas selles artiklis magnetvälja mõõdetakse? Millisel füüsikalisel nähtusel põhineb magnetvälja mõõtmise põhimõte?

6. Määratlege induktiivsus, magnetvoog, voo seos. Määrake nende suuruste mõõtühikud.

bibliograafiline loetelu

õppekirjandus

1. Kalashnikov N.P. Füüsika alused. M.: Bustard, 2004. 1. kd

2. Saveliev I.V.. Füüsika kursus. M.: Nauka, 1998. T. 2.

3. Detlaf A.A.,Yavorsky B.M. Füüsika kursus. Moskva: Kõrgkool, 2000.

4. Irodov I.E Elektromagnetism. M.: Binom, 2006.

5. Yavorsky B.M.,Detlaf A.A. Füüsika käsiraamat. M.: Nauka, 1998.

Jätkame elektromagnetiliste nähtuste küsimuste uurimist. Ja tänases õppetükis käsitleme voolu ja elektromagnetiga mähise magnetvälja.

Suurimat praktilist huvi pakub voolu juhtiva pooli magnetväli. Mähise saamiseks peate võtma isoleeritud juhi ja kerima selle ümber raami. Selline mähis sisaldab suurt hulka traadi pöördeid. Pange tähele: need juhtmed on keritud plastraamile ja sellel juhtmel on kaks juhet (joonis 1).

Riis. 1. Mähis

Mähise magnetvälja uurimist viisid läbi kaks kuulsat teadlast: André-Marie Ampère ja Francois Arago. Nad leidsid, et pooli magnetväli on täpselt sama, mis püsimagneti magnetväli (joonis 2).

Riis. 2. Mähise ja püsimagneti magnetväli

Miks pooli magnetjooned sellised välja näevad?

Kui sirge juhi kaudu voolab alalisvool, tekib selle ümber magnetväli. Magnetvälja suunda saab määrata "kinnituse reegliga" (joonis 3).

Riis. 3. Juhi magnetväli

Me painutame selle juhi spiraalselt. Voolu suund jääb samaks, juhi magnetväli eksisteerib ka juhtme ümber, lisandub juhtme erinevate sektsioonide väli. Mähise sees kontsentreeritakse magnetväli. Selle tulemusena saame pooli magnetväljast järgmise pildi (joonis 4).

Riis. 4. Mähise magnetväli

Voolu kandva pooli ümber on magnetväli. Seda, nagu ka otsejuhi välja, saab tuvastada saepuru abil (joonis 5). Vooluga pooli magnetvälja jõujooned on samuti suletud.

Riis. 5. Metallviilide asukoht voolupooli lähedal

Kui õhukeste ja painduvate juhtmete külge riputatakse vooluga mähis, paigaldatakse see samamoodi nagu magnetkompassi nõel. Mähise üks ots on suunatud põhja, teine lõuna poole. See tähendab, et vooluga mähisel, nagu magnetnõelal, on kaks poolust - põhja- ja lõunapoolus (joonis 6).

Riis. 6. Pooli poolused

Elektriskeemidel on mähis näidatud järgmiselt:

Riis. 7. Skeemidel mähise tähistus

Vooluga pooli kasutatakse tehnikas laialdaselt magnetidena. Need on mugavad selle poolest, et nende magnetilist toimet saab laias vahemikus varieerida.

Pooli magnetväli on suur võrreldes juhi magnetväljaga (sama voolutugevuse korral).

Kui vool juhitakse läbi mähise, tekib selle ümber magnetväli. Mida rohkem voolu läbi mähise liigub, seda tugevam on magnetväli.

Seda saab kinnitada magnetnõela või metalllaastudega.
Samuti sõltub mähise magnetväli keerdude arvust. Vooluga mähise magnetväli on seda tugevam, mida suurem on selles keerdude arv. See tähendab, et me saame reguleerida mähise välja, muutes selle keerdude arvu või mähist läbivat elektrivoolu.

Kuid kõige huvitavam oli inglise inseneri Sturgeoni avastus. Ta demonstreeris järgmist: teadlane võttis ja pani pooli raudsüdamikule. Asi on selles, et nende mähiste keerdude kaudu elektrivoolu juhtimisel suurenes magnetväli mitu korda - ja kõik ümberkaudsed raudesemed hakkasid selle seadme poole tõmbama (joonis 8). Seda seadet nimetatakse "elektromagnetiks".

Riis. 8. Elektromagnet

Kui nad mõtlesid teha raudkonksu ja selle selle seadme külge kinnitada, tekkis neil võimalus lohistada erinevaid koormaid. Mis on siis elektromagnet?

Definitsioon

Elektromagnet- see on suure hulga mähispöördega mähis, mis on pandud raudsüdamikule, mis omandab magneti omadused, kui mähist läbib elektrivool.

Elektromagnet diagrammil on tähistatud mähisena ja horisontaaljoon asub ülal (joonis 9). See joon tähistab raudsüdamikku.

Riis. 9. Elektromagneti tähistus

Elektrinähtusi uurides ütlesime, et elektrivoolul on erinevad omadused, ka magnetilised. Ja üks katsetest, mida arutasime, oli seotud sellega, et võtame vooluallikaga ühendatud juhtme, kerime selle ümber raudnaela ja jälgime, kuidas erinevad raudesemed hakkavad selle naela külge tõmbama (joonis 10). See on kõige lihtsam elektromagnet. Ja nüüd saame aru, et kõige lihtsama elektromagneti annab meile voolu vool mähises, suur arv pöördeid ja loomulikult metallist südamik.

Riis. 10. Lihtsaim elektromagnet

Tänapäeval on elektromagnetid väga laialt levinud. Elektromagnetid töötavad peaaegu kõikjal ja kõikjal. Näiteks kui meil on vaja vedada piisavalt suuri koormaid, kasutame elektromagneteid. Ja reguleerides voolu tugevust, suurendame või vähendame vastavalt tugevust. Teine näide elektromagnetide kasutamisest on elektrikell.

Osade sõidukite (näiteks trammid) uste avamise ja sulgemise ning pidurite tagavad ka elektromagnetid.

Bibliograafia

Gendenstein L.E., Kaidalov A.B., Koževnikov V.B. Füüsika 8 / Toim. Orlova V.A., Roizena I.I. - M.: Mnemosüüne.
Peryshkin A.V. Füüsika 8. - M.: Bustard, 2010.
Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Füüsika 8. - M.: Valgustus.

Interneti-portaal "sait" ()
Interneti-portaal "sait" ()
Interneti-portaal "class-fizika.narod.ru" ()

Kodutöö

Mis on mähis?
Kas mõnel mähisel on magnetväli?
Kirjeldage lihtsaimat elektromagnetit.

Loogiline oleks rääkida teisest passiivsete raadioelementide esindajast - induktiivpoolidest. Kuid lugu nendest tuleb alustada kaugelt, pidage meeles magnetvälja olemasolu, sest mähiseid ümbritseb ja läbib magnetväli, mähised töötavad magnetväljas, mis on enamasti muutuv. Ühesõnaga, see on nende elupaik.

Magnetism kui mateeria omadus

Magnetism on aine üks olulisemaid omadusi, nagu ka näiteks mass või elektriväli. Magnetismi nähtused, aga ka elekter, on tuntud juba ammu, kuid tollane teadus ei suutnud nende nähtuste olemust seletada. Kunagi Väike-Aasias asunud Magnesia linna nime järgi nimetati arusaamatut nähtust "magnetismiks". Just läheduses kaevandatud maagist saadi püsimagnetid.

Kuid püsimagnetid pole selle artikli raames eriti huvitavad. Kuna lubati rääkida induktiivpoolidest, siis suure tõenäosusega räägime elektromagnetismist, sest pole kaugeltki saladus, et isegi vooluga juhtme ümber on magnetväli.

Kaasaegsetes tingimustes on magnetismi nähtust vähemalt algtasemel üsna lihtne uurida. Selleks tuleb akust ja taskulambi lambipirnist kokku panna kõige lihtsam elektriskeem. Tavalist kompassi saab kasutada magnetvälja, selle suuna ja tugevuse indikaatorina.

DC magnetväli

Teatavasti näitab kompass suunda põhja poole. Kui asetate lähedale ülalmainitud lihtsaima vooluahela juhtmed ja lülitate lambipirni sisse, kaldub kompassinõel oma tavaasendist mõnevõrra kõrvale.

Ühendades paralleelselt teise lambipirni, saate vooluahelas kahekordistada, mis suurendab veidi noole pöördenurka. See viitab sellele, et voolu juhtiva juhtme magnetväli on muutunud suuremaks. Sellel põhimõttel töötavad osutiga mõõteriistad.

Kui aku polaarsus on vastupidine, siis kompassi nõel keerab ka teise otsa - ka magnetvälja suund juhtmetes on suunda muutunud. Kui ahel on välja lülitatud, naaseb kompassinõel oma õigesse asendisse. Mähises puudub vool ja puudub magnetväli.

Kõigis neis katsetes täidab kompass katsemagnetnõela rolli, nii nagu konstantse elektrivälja uurimine toimub katseelektrilaengu abil.

Selliste lihtsate katsete põhjal võib järeldada, et magnetism tekib tänu elektrivoolule: mida tugevam on see vool, seda tugevamad on juhi magnetilised omadused. Ja kust siis tuleb püsimagnetite magnetväli, sest keegi ei ühendanud nendega akut juhtmetega?

Fundamentaalteaduslikud uuringud on tõestanud, et püsimagnetism põhineb ka elektrilistel nähtustel: iga elektron on oma elektriväljas ja tal on elementaarsed magnetilised omadused. Vaid enamikus ainetes on need omadused vastastikku neutraliseeritud ja mõnes moodustavad need millegipärast kokku ühe suure magneti.

Muidugi pole tegelikkuses kõik nii primitiivne ja lihtne, kuid üldiselt on isegi püsimagnetitel tänu elektrilaengute liikumisele oma imelised omadused.

Mis on magnetjooned?

Magnetjooned on visuaalselt näha. Füüsikatundide koolieksperimendis valatakse selleks metallviilud kartongilehele ja alla asetatakse püsimagnet. Kergelt papilehte koputades saate joonisel 1 näidatud pildi.

1. pilt.

On hästi näha, et magnetilised jõujooned väljuvad põhjapoolusest ja sisenevad lõunasse murdumata. Muidugi võib öelda, et vastupidi, lõunast põhja poole, kuid see on nii aktsepteeritud, seega põhjast lõunasse. Samamoodi, nagu nad kunagi võtsid voolu suuna plussist miinusesse.

Kui püsimagneti asemel lastakse papist läbi vooluga traat, siis metallviilud näitavad sellele, juhile, magnetvälja. Sellel magnetväljal on kontsentrilised ringikujulised jooned.

Magnetvälja uurimiseks saate ilma saepuruta hakkama. Piisab katsemagnetnõela liigutamisest ümber voolu juhtiva juhi, et näha, kas magnetjõujooned on tõepoolest suletud kontsentrilised ringid. Kui liigutada testnoolt selles suunas, kuhu magnetväli seda kõrvale kaldub, siis jõuame kindlasti tagasi samasse punkti, kust liikuma hakkasime. Samamoodi nagu ümber Maa käimine: kui lähed kuhugi ilma pööramata, siis jõuad varem või hiljem samasse kohta.

Joonis 2.

Vooluga juhi magnetvälja suuna määrab puusse aukude puurimiseks mõeldud riistapuu reegel. Siin on kõik väga lihtne: gimletit tuleb pöörata nii, et selle translatsiooniline liikumine langeks kokku juhtmes oleva voolu suunaga, siis näitab käepideme pöörlemissuund, kuhu magnetväli on suunatud.

Joonis 3

"Voolus tuleb meilt" - ringi keskel olev rist on pildi tasapinnast kaugemale lennava noole sulestik ja seal, kus "Voolus tuleb meie juurde", on näidatud nooleots lendamas lehe tasapinna tagant. . Vähemalt koolis füüsikatundides anti nende tähiste kohta selline selgitus.

Joonis 4

Kui rakendada igale juhile gimleti reeglit, siis määrates igas juhis magnetvälja suuna, võime kindlalt väita, et ühesuguse voolusuunaga juhid tõmbavad ligi ja nende magnetväljad liidetakse. Erineva suuna vooluga juhid tõrjuvad üksteist, nende magnetväli on kompenseeritud.

Induktiivpool

Kui vooluga juht on valmistatud rõnga (mähise) kujul, siis on sellel oma magnetpoolused, põhja- ja lõunapoolused. Kuid ühe pöörde magnetväli on reeglina väike. Palju paremaid tulemusi saab saavutada traadi mähisega mähisena. Sellist osa nimetatakse induktiivpooliks või lihtsalt induktiivsuseks. Sellisel juhul liidetakse üksikute pöörete magnetväljad, tugevdades üksteist.

Joonis 5

Joonisel 5 on näidatud, kuidas on võimalik saada pooli magnetväljade summa. Näib, et iga pööret saab toita oma allikast, nagu on näidatud joonisel fig. 5.2, aga pöördeid on lihtsam järjestikku ühendada (lihtsalt ühe juhtmega kerida).

On üsna ilmne, et mida rohkem on mähisel keerdu, seda tugevam on selle magnetväli. Magnetväli sõltub ka pooli läbivast voolust. Seetõttu on täiesti õigustatud hinnata mähise võimet luua magnetvälja lihtsalt mähise (A) läbiva voolu korrutamise teel keerdude arvuga (W). Seda väärtust nimetatakse voolutugevuseks.

südamikupool

Mähise tekitatud magnetvälja saab oluliselt suurendada, kui mähisesse sisestada ferromagnetilisest materjalist südamik. Joonisel 6 on kujutatud tabel erinevate ainete suhtelise magnetilise läbilaskvuse kohta.

Näiteks trafoteras muudab magnetvälja umbes 7...7,5 tuhat korda tugevamaks kui südamiku puudumisel. Teisisõnu, südamiku sees pöörab magnetväli magnetnõela 7000 korda tugevamini (seda saab ainult vaimselt ette kujutada).

Joonis 6

Paramagnetilised ja diamagnetilised ained asuvad tabeli ülaosas. Suhteline magnetiline läbilaskvus µ on vaakumi suhtes. Seetõttu suurendavad paramagnetilised ained magnetvälja veidi, diamagnetilised aga nõrgendavad seda veidi. Üldiselt ei avalda need ained magnetväljale erilist mõju. Kuigi kõrgetel sagedustel kasutatakse ahelate häälestamiseks mõnikord messingist või alumiiniumist südamikke.

Tabeli allosas on ferromagnetilised ained, mis suurendavad vooluga oluliselt mähise magnetvälja. Nii näiteks muudab trafo terasest südamik magnetvälja täpselt 7500 korda tugevamaks.

Mida ja kuidas mõõta magnetvälja

Kui elektriliste suuruste mõõtmiseks oli vaja ühikuid, võeti standardiks elektroni laeng. Elektronlaengust moodustus väga reaalne ja isegi käegakatsutav üksus - ripats ja selle põhjal osutus kõik lihtsaks: amper, volt, ohm, džaul, vatt, farad.

Ja mida saab võtta magnetvälja mõõtmise lähtepunktiks? Väga problemaatiline on elektroni kuidagi magnetvälja külge siduda. Seetõttu võetakse magnetismi mõõtühikuna kasutusele juht, mille kaudu voolab alalisvool 1 A.

Peamine selline omadus on pinge (H). See näitab, millise jõuga mõjub magnetväli ülalmainitud katsejuhile, kui see toimub vaakumis. Vaakum on mõeldud välistama keskkonna mõju, seetõttu peetakse seda omadust - pinget absoluutselt puhtaks. Pingeühikuks on amper meetri kohta (a/m). Selline pinge ilmneb 16 cm kaugusel juhist, mille kaudu voolab vool 1A.

Väljatugevus räägib ainult magnetvälja teoreetilisest võimekusest. Tegelikku tegutsemisvõimet peegeldab teine magnetinduktsiooni väärtus (B). Just tema näitab tegelikku jõudu, millega magnetväli 1A vooluga juhile mõjub.

Joonis 7

Kui 1 m pikkuses juhis voolab vool 1A ja see lükatakse välja (tõmbatakse) jõuga 1N (102G), siis öeldakse, et magnetilise induktsiooni suurus on selles punktis täpselt 1 Tesla.

Magnetinduktsioon on vektorsuurus, sellel on lisaks arvväärtusele ka suund, mis ühtib alati uuritava magnetvälja katsemagnetnõela suunaga.

Joonis 8

Magnetinduktsiooni ühikuks on tesla (TL), kuigi praktikas kasutatakse sageli väiksemat Gaussi ühikut: 1TL = 10 000 Gaussi. Kas seda on palju või vähe? Magnetväli võimsa magneti lähedal võib ulatuda mitme T-ni, kompassi magnetnõela lähedal mitte rohkem kui 100 gaussi, Maa magnetväli pinna lähedal on umbes 0,01 gaussi ja isegi madalam.

Magnetinduktsiooni vektor B iseloomustab magnetvälja ainult ühes ruumipunktis. Magnetvälja toime hindamiseks teatud ruumis võetakse kasutusele ka selline mõiste nagu magnetvoog (Φ).

Tegelikult tähistab see magnetilise induktsiooni joonte arvu, mis läbivad antud ruumi, mõnda piirkonda: Φ=B*S*cosα. Seda pilti võib kujutada vihmapiiskadena: üks joon on üks tilk (B) ja kõik kokku on magnetvoog Φ. Nii ühendatakse pooli üksikute keerdude magnetjõujooned ühiseks vooluks.

Joonis 9

SI-süsteemis võetakse Weberit (Wb) magnetvoo ühikuna, selline voog tekib siis, kui 1 T induktsioon mõjub 1 ruutmeetri suurusele alale.

Magnetvoog erinevates seadmetes (mootorid, trafod jne) läbib reeglina teatud rada, mida nimetatakse magnetahelaks või lihtsalt magnetahelaks. Kui magnetahel on suletud (rõngastrafo südamik), siis on selle takistus väike, magnetvoog läbib takistamatult, kontsentreerituna südamiku sisse. Alloleval joonisel on näidatud suletud ja avatud magnetahelatega mähiste näited.

Joonis 10.

Aga südamiku saab saagida ja sealt jupi välja tõmmata, et tekiks magnetvahe. See suurendab vooluringi üldist magnettakistust, seega vähendab magnetvoogu ja üldiselt väheneb kogu südamiku induktsioon. See on sama, mis suure takistuse järjestikku jootmine elektriahelas.

Joonis 11.

Kui tekkiv tühimik terastükiga kinni tõkestada, siis selgub, et piluga on paralleelselt ühendatud väiksema magnettakistusega lisasektsioon, mis taastab häiritud magnetvoo. See on väga sarnane elektriahelate šundiga. Muide, on olemas ka magnetahela seadus, mida nimetatakse magnetahela Ohmi seaduseks.

Joonis 12.

Magnetvoo põhiosa läbib magnetšundi. Just seda nähtust kasutatakse heli- või videosignaalide magnetilisel salvestamisel: lindi ferromagnetiline kiht katab magnetpeade südamikus oleva pilu ja kogu magnetvoog sulgub läbi lindi.

Mähise tekitatava magnetvoo suunda saab määrata parema käe reegli abil: kui välja sirutatud neli sõrme näitavad mähises oleva voolu suunda, siis pöial näitab magnetjoonte suunda, nagu on näidatud joonisel. 13.

Joonis 13.

On üldtunnustatud seisukoht, et magnetjooned väljuvad põhjapoolusest ja sisenevad lõunasse. Seetõttu näitab pöial sel juhul lõunapooluse asukohta. Kontrollimaks, kas see nii on, võite uuesti kasutada kompassinõela.

Kuidas elektrimootor töötab

Teatavasti võib elekter tekitada valgust ja soojust, osaleda elektrokeemilistes protsessides. Pärast magnetismi põhitõdedega tutvumist saab rääkida elektrimootorite tööpõhimõttest.

Elektrimootorid võivad olla väga erineva konstruktsiooni, võimsuse ja tööpõhimõttega: näiteks alalis- ja vahelduvvoolu-, astme- või kollektoriga. Kuid kõigi erinevate konstruktsioonide puhul põhineb tööpõhimõte rootori ja staatori magnetväljade vastasmõjul.

Nende magnetväljade saamiseks juhitakse mähiste kaudu vool. Mida suurem on vool ja mida suurem on välise magnetvälja magnetiline induktsioon, seda võimsam on mootor. Selle välja võimendamiseks kasutatakse magnetahelaid, mistõttu on elektrimootorites nii palju terasest detaile. Mõned alalisvoolumootorite mudelid kasutavad püsimagneteid.

Joonis 14.

Siin võib öelda, et kõik on selge ja lihtne: juhtisime voolu läbi juhtme, saime magnetvälja. Koostoime teise magnetväljaga paneb selle juhi liikuma ja isegi mehaanilist tööd tegema.

Pöörlemissuuna saab määrata vasaku käe reegliga. Kui neli väljasirutatud sõrme näitavad voolu suunda juhis ja magnetjooned sisenevad peopesale, siis painutatud pöial näitab juhi väljumise suunda magnetväljas.

Liikuv elektrilaeng tekitab ümbritsevas ruumis magnetvälja. Juhti läbiv elektronide vool loob juhi ümber magnetvälja. Kui metalltraat on vardale rõngasteks keritud, saadakse mähis. Selgub, et sellise mähise tekitatud magnetväljal on huvitavad ja mis kõige tähtsam – kasulikud omadused.

Miks tekib magnetväli

Teatud ainete magnetilised omadused, mis võimaldavad metallesemeid ligi tõmmata, on tuntud juba iidsetest aegadest. Kuid alles 19. sajandi alguses õnnestus selle nähtuse olemuse mõistmisele lähemale jõuda. Analoogiliselt elektrilaengutega on magnetilisi mõjusid püütud seletada teatud magnetlaengute (dipoolide) abil. 1820. aastal avastas Taani füüsik Hans Oersted, et magnetnõel kaldub kõrvale, kui elektrivool lastakse läbi selle lähedal asuva juhi.

Samas leidis prantsuse teadlane André Ampère, et kaks üksteisega paralleelset juhti põhjustavad elektrivoolu ühes suunas läbimisel vastastikust külgetõmmet ja tõukejõudu, kui voolud on suunatud eri suundades.

Riis. 1. Ampere kogemus voolu juhtivate juhtmetega. Kompassinõel vooluga juhtme lähedal

Nende tähelepanekute põhjal jõudis Ampère järeldusele, et voolu vastastikmõju noolega, juhtmete ja püsimagnetite tõmbejõudu (ja tõrjumist) omavahel saab seletada, kui eeldada, et magnetväli tekib liikuvate elektrilaengute mõjul. Lisaks esitas Ampere julge hüpoteesi, mille kohaselt on aine sees summutamata molekulaarvoolud, mis on konstantse magnetvälja tekkimise põhjuseks. Siis on kõik magnetnähtused seletatavad liikuvate elektrilaengute vastastikmõjuga ja erilisi magnetlaenguid ei eksisteeri.

Matemaatilise mudeli (teooria), mille abil sai võimalikuks arvutada magnetvälja suurust ja vastastikmõju tugevust, töötas välja inglise füüsik James Maxwell. Maxwelli võrranditest, mis ühendasid elektrilised ja magnetilised nähtused, järeldas see:

Magnetväli tekib ainult elektrilaengute liikumise tulemusena;
Looduslikes magnetkehades eksisteerib püsiv magnetväli, kuid sel juhul on välja põhjuseks molekulaarvoolude (pööriste) pidev liikumine aine massis;
Magnetvälja saab luua ka vahelduva elektrivälja abil, kuid seda teemat käsitleme meie järgmistes artiklites.

Vooluga pooli magnetväli

Mis tahes silindrilisele vardale (puidust, plastikust jne) rõngastesse keritud metalltraat on elektromagnetiline mähis. Traat peab olema isoleeritud, st kaetud mingi isolaatoriga (lakk või plastikpunutis), et vältida külgnevate pöörete lühistamist. Voolu liikumise tulemusena liidetakse kõigi pöörete magnetväljad ja selgub, et voolu juhtiva pooli kogumagnetväli on identne (täiesti sarnane) püsimagneti magnetväljaga.

Riis. 2. Mähise ja püsimagneti magnetväli.

Mähise sees on magnetväli ühtlane, nagu püsimagnetis. Väljastpoolt saab voolupooli magnetvälja jooni tuvastada peente metallviilide abil. Magnetvälja jooned on suletud. Analoogiliselt magnetilise kompassi nõelaga on vooluga mähisel kaks poolust - lõuna- ja põhjapoolus. Jõujooned väljuvad põhjapoolusest ja lõpevad lõunas.

Vooluga mähiste jaoks on täiendavaid eraldi nimetusi, mida kasutatakse olenevalt rakendusest:

Induktiivpool või lihtsalt - induktiivsus. Seda terminit kasutatakse raadiotehnikas;
Drosselklapp(throssel - regulaator, piiraja). Kasutatakse elektrotehnikas;
Solenoid. See liitsõna pärineb kahest kreeka sõnast: solen – kanal, toru ja eidos – sarnane). Seda nimetatakse spetsiaalsetest magnetsulamitest (ferromagnetitest) valmistatud südamikega spetsiaalsetele poolidele, mida kasutatakse elektromehaaniliste mehhanismidena. Näiteks autokäivitites on tõmburi relee solenoid.

Riis. 3. Induktiivpoolid, õhuklapp, solenoid

Magnetvälja energia

Vooluga mähises salvestatakse energiat toiteallikast (patarei, aku), mis on suurem, seda suurem on vool I ja väärtus L, mida nimetatakse induktiivsuseks. Vooluga W pooli magnetvälja energia arvutatakse järgmise valemi abil:

$$ W = (( L*I^2)\üle 2 ) $$

See valem sarnaneb keha kineetilise energia valemiga. Induktiivsus on sarnane keha massiga ja vool on sarnane keha kiirusega. Magnetenergia on võrdeline voolu ruuduga, nii nagu kineetiline energia on võrdeline kiiruse ruuduga.

Pooli induktiivsuse väärtuse arvutamiseks on järgmine valem:

$$ L = μ *((N^2*S)\üle l_k) $$

N on pooli keerdude arv;

S on mähise ristlõikepindala;

l kuni - mähise pikkus;

μ - südamiku materjali magnetiline läbilaskvus - kontrollväärtus. Südamik on mähise sisse asetatud metallvarras. See võimaldab teil oluliselt suurendada magnetvälja suurust.

Mida me õppisime?

Nii saime teada, et magnetväli tekib ainult elektrilaengute liikumise tulemusena. Vooluga pooli magnetväli on sarnane püsimagneti magnetväljaga. Mähise magnetvälja energiat saab arvutada teades voolutugevust I ja induktiivsust L.

Teemaviktoriin

Aruande hindamine

Keskmine hinne: 4 . Kokku saadud hinnanguid: 52.

Kui sirge juht keerata ringiks, siis saab uurida ringvoolu magnetvälja.
Teeme katse (1). Viige traat ringi kujul läbi papi. Asetame kartongi pinnale erinevatesse kohtadesse mõned vabad magnetnooled. Lülitage vool sisse ja vaadake, et mähise keskel olevad magnetnooled näitavad sama suunda ja väljaspool pooli mõlemal pool teist suunda.
Nüüd kordame katset (2), muutes pooluseid ja seega ka voolu suunda. Näeme, et magnetnooled on kogu kartongi pinnal suunda muutnud 180 kraadi võrra.
Järeldame: ringikujulise voolu magnetjooned sõltuvad ka voolu suunast juhis.
Teeme katse 3. Eemaldame magnetnooled, lülitame sisse elektrivoolu ja valame ettevaatlikult kogu papi pinna peale väikesed rauaviilud. Kuidas sel juhul määrata magnetvälja joonte suunda? Jällegi rakendame rõngastiili reeglit, kuid seda kasutatakse ringvoolu puhul. Kui gimleti käepideme pöörlemissuund on joondatud ümmarguse juhi voolu suunaga, siis kattub gimleti translatsioonilise liikumise suund magnetiliste jõujoonte suunaga.
Vaatleme mitut juhtumit.
1. Mähise tasapind asub lehe tasapinnal, mähist läbiv vool liigub päripäeva. Pooli päripäeva keerates teeme kindlaks, et pooli keskel asuvad magnetjõujooned on suunatud mähise sees “meist eemale”. Seda tähistab tinglikult "+" (pluss) märk. Need. mähise keskele paneme "+"
2. Mähise tasapind asub lehe tasapinnal, mähist läbiv vool liigub vastupäeva. Pöörates mähist vastupäeva, teeme kindlaks, et magnetilised jõujooned väljuvad pooli keskpunktist "meie poole". Seda tähistatakse tavapäraselt "∙" (punkt). Need. mähise keskele peame panema punkti ("∙").
Kui silindri ümber kerida sirge juht, saadakse vooluga mähis ehk solenoid.
Teeme katse (4.) Katse jaoks kasutame sama vooluringi, ainult juhe lastakse nüüd mähisena läbi papist. Asetame mitu vaba magnetnoolt kartongi tasapinnale erinevatesse kohtadesse: mähise mõlemasse otsa, mähise sisse ja mõlemale poole väljapoole. Laske mähis asetada horisontaalselt (suunas vasakult paremale). Lülitage vooluahel sisse ja leidke, et mööda pooli telge asuvad magnetnõelad näitavad ühte suunda. Märgime, et mähise paremas otsas näitab nool, et jõujooned sisenevad mähisesse, mis tähendab, et see on "lõunapoolus" (S) ja vasakpoolses otsas näitab magnetnõel, et need lahkuvad. , see on "põhjapoolus" (N). Väljaspool mähist on magnetnõelad vastupidise suunaga võrreldes pooli sees oleva suunaga.
Teeme katse (5). Samas vooluringis muutke voolu suunda. Leiame, et kõigi magnetnoolte suund on muutunud, need on pöördunud 180 kraadi. Järeldame: magnetvälja joonte suund sõltub mähise pöördeid läbiva voolu suunast.
Teeme katse (6). Eemaldage magnetnooled ja lülitage vooluahel sisse. Soola papp rulli sees ja väljas ettevaatlikult rauaviilidega. Saame pildi magnetvälja joontest, mida nimetatakse "vooluga pooli magnetvälja spektriks"
Kuidas aga määrata magnetvälja jõujoonte suunda? Magnetvälja joonte suund määratakse kardaani reegli järgi samamoodi nagu vooluga mähise puhul: Kui kardaani käepideme pöörlemissuund on joondatud mähistes oleva voolu suunaga, siis translatsiooniline liikumine langeb kokku solenoidi sees olevate magnetvälja joonte suunaga. Solenoidi magnetväli on sarnane püsivarrasmagneti omaga. Pooli ots, millest jõujooned väljuvad, on "põhjapoolus" (N) ja see, millesse jõujooned sisenevad, on "lõunapoolus" (S).
Pärast Hans Oerstedi avastamist hakkasid paljud teadlased tema katseid kordama, leiutades uusi, et leida tõendeid elektri ja magnetismi vahelise seose kohta. Prantsuse teadlane Dominique Arago asetas raudvarda klaastorusse ja keris selle peale vasktraadi, millest lasi läbi elektrivoolu. Niipea kui Arago elektriahela sulges, magnetiseerus raudvarras nii tugevalt, et tõmbas raudvõtmed enda poole. Võtmete kättesaamine võttis palju vaeva. Kui Arago toiteallika välja lülitas, kukkusid klahvid ise ära! Nii leiutas Arago esimese elektromagneti. Kaasaegsed elektromagnetid koosnevad kolmest osast: mähisest, südamikust ja armatuurist. Juhtmed asetatakse spetsiaalsesse kesta, mis täidab isolaatori rolli. Mitmekihiline mähis on keritud traadiga - elektromagneti mähisega. Südamikuna kasutatakse terasvarda. Plaati, mis tõmbub südamiku poole, nimetatakse ankruks. Elektromagneteid kasutatakse tööstuses laialdaselt nende omaduste tõttu: voolu väljalülitamisel demagnetiseeruvad nad kiiresti; neid saab olenevalt otstarbest valmistada erinevates suurustes; Voolu muutmisega saab kontrollida elektromagneti magnetilist toimet. Elektromagneteid kasutatakse tehastes teras- ja malmtoodete vedamiseks. Nendel magnetitel on suur tõstejõud. Elektromagneteid kasutatakse ka elektrikellades, elektromagnetilistes separaatorites, mikrofonides, telefonides. Täna uurisime ringvoolu magnetvälja, pooli vooluga. Tutvusime elektromagnetitega, nende kasutamisega tööstuses ja rahvamajanduses.