L'action magnétique de la bobine. Le champ magnétique d'une bobine avec du courant. Quoi et comment mesurer le champ magnétique

Un conducteur traversé par un courant électrique crée un champ magnétique caractérisé par le vecteur intensité `H(Fig. 3). L'intensité du champ magnétique obéit au principe de superposition

et, selon la loi Biot-Savart-Laplace,

où je est l'intensité du courant dans le conducteur, est un vecteur ayant la longueur d'un segment élémentaire du conducteur et dirigé dans le sens du courant, `r est le rayon vecteur reliant l'élément au point considéré P.

L'une des configurations les plus courantes de conducteurs avec courant est une bobine en forme d'anneau de rayon R (Fig. 3, a). Le champ magnétique d'un tel courant dans le plan passant par l'axe de symétrie a la forme (voir Fig. 3, b). Le champ dans son ensemble doit avoir une symétrie de rotation autour de l'axe z (Fig. 3, b), et les lignes de force elles-mêmes doivent être symétriques autour du plan de boucle (le plan xy). Le champ à proximité immédiate du conducteur ressemblera au champ à proximité d'un long fil droit, car l'influence des parties éloignées de la boucle est ici relativement faible. Sur l'axe du courant circulaire, le champ est dirigé selon l'axe Z.

Calculons l'intensité du champ magnétique sur l'axe de l'anneau en un point situé à une distance z du plan de l'anneau. D'après la formule (6), il suffit de calculer la composante z du vecteur :

. (7)

En intégrant sur tout l'anneau, on obtient òd je= 2p R. Puisque, d'après le théorème de Pythagore r 2 = R 2 + z 2 , alors le champ requis en un point de l'axe est

. (8)

direction du vecteur `H peut être dirigé selon la règle de la vis droite.

Au centre du ring z= 0 et la formule (8) est simplifiée :

Nous sommes intéressés par bobine courte- une bobine de fil cylindrique, constituée de N spires de même rayon. En raison de la symétrie axiale et conformément au principe de superposition, le champ magnétique d'une telle bobine sur l'axe H est la somme algébrique des champs des spires individuelles H je: . Ainsi, le champ magnétique d'une bobine courte contenant N aux tours, à un point arbitraire sur l'axe est calculé par les formules

, , (10)

où H- des tensions, B– induction de champ magnétique.

Champ magnétique d'un solénoïde avec courant

Pour calculer l'induction du champ magnétique dans le solénoïde, on utilise le théorème sur la circulation du vecteur induction magnétique :

, (11)

où est la somme algébrique des courants parcourus par le circuit L forme libre, n- le nombre de conducteurs avec des courants parcourus par le circuit. Dans ce cas, chaque courant est pris en compte autant de fois qu'il est parcouru par le circuit, et le courant est considéré comme positif, dont le sens forme un système à vis à droite avec le sens de dérivation le long du circuit - le circuit élément L.

Appliquons le théorème sur la circulation du vecteur d'induction magnétique à un solénoïde de longueur je ayant N avec spires avec courant je(Fig. 4). Dans le calcul, nous tenons compte du fait que presque tout le champ est concentré à l'intérieur du solénoïde (les effets de bord sont négligés) et qu'il est homogène. Alors la formule 11 prendra la forme :

d'où l'on trouve l'induction du champ magnétique créé par le courant à l'intérieur du solénoïde :

Riz. 4. Solénoïde avec courant et son champ magnétique

Schéma d'installation

Riz. 5 Schéma de principe de l'installation

1 - compteur d'induction de champ magnétique (teslamètre), A - ampèremètre, 2 - fil de connexion, 3 - sonde de mesure, 4 - capteur Hall *, 5 - objet à l'étude (bobine courte, conducteur droit, solénoïde), 6 - source de courant, 7 - une règle pour fixer la position du capteur, 8 - porte-sonde.

* - le principe de fonctionnement du capteur est basé sur le phénomène de l'effet Hall (voir TP n°15 Etude de l'effet Hall)

Demande de service

1. Etude du champ magnétique d'une bobine courte

1.1. Allumez les appareils. Les commutateurs d'alimentation et de teslamètre sont situés sur les panneaux arrière.

1.2. En tant qu'objet à l'étude 5 (voir Fig. 5), placez une bobine courte dans le support et connectez-la à la source de courant 6.

1.3. Réglez le régulateur de tension de la source 6 en position médiane. Réglez l'intensité du courant sur zéro en ajustant la sortie d'intensité du courant à la source 6 et contrôlez-la avec un ampèremètre (la valeur doit être zéro).

1.4. Les régulateurs de réglage grossier 1 et fin 2 (Fig. 6) permettent d'obtenir des lectures nulles du teslamètre.

1.5. Installez le support avec la sonde de mesure sur la règle dans une position pratique pour la lecture - par exemple, à la coordonnée de 300 mm. À l'avenir, prenez cette position comme zéro. Lors de l'installation et lors des mesures, respecter le parallélisme entre la sonde et la règle.

1.6. Positionnez le support avec la bobine courte de manière à ce que le capteur Hall 4 se trouve au centre des spires de la bobine (Fig. 7). Pour cela, utilisez la vis de serrage et de réglage en hauteur du porte-sonde. Le plan de la bobine doit être perpendiculaire à la sonde. Lors de la préparation des mesures, déplacez le support avec l'échantillon à tester en laissant la sonde de mesure immobile.

1.7. Assurez-vous que pendant le temps de préchauffage du teslamètre, ses lectures restent à zéro. Si cela n'est pas fait, réglez le teslamètre sur zéro à un courant nul dans l'échantillon.

1.8. Réglez le courant de la bobine courte sur 5 A (en ajustant la sortie sur l'alimentation 6, Constanter/Netzgerät Universal).

1.9. Mesurer l'induction magnétique B exp sur l'axe de la bobine en fonction de la distance au centre de la bobine. Pour ce faire, déplacez le porte-sonde le long de la règle en restant parallèle à sa position d'origine. Les valeurs z négatives correspondent au déplacement de la sonde vers la zone de coordonnées plus petites que la valeur initiale, et vice versa - valeurs z positives - vers la zone de grandes coordonnées. Entrez les données dans le tableau 1.

Tableau 1 Dépendance de l'induction magnétique sur l'axe d'une bobine courte sur la distance au centre de la bobine

1.10. Répétez les points 1.2 à 1.7.

1.11. Mesurer la dépendance de l'induction au centre de la bobine sur la force du courant traversant la bobine. Entrez les données dans le tableau 2.

Tableau 2 Dépendance de l'induction magnétique au centre d'une bobine courte sur l'intensité du courant dans celle-ci

2. Etude du champ magnétique du solénoïde

2.1. En tant qu'objet à l'étude 5, placez le solénoïde sur un banc métallique en matériau amagnétique réglable en hauteur (Fig. 8).

2.2. Répétez 1.3 - 1.5.

2.3. Ajuster la hauteur du banc pour que la sonde de mesure passe dans l'axe de symétrie du solénoïde, et que le capteur Hall soit au milieu des spires du solénoïde.

2.4. Répétez les étapes 1.7 à 1.11 (un solénoïde est utilisé à la place d'une bobine courte). Entrez respectivement les données dans les tableaux 3 et 4. Dans ce cas, déterminez la coordonnée du centre du solénoïde comme suit : installez le capteur Hall au début du solénoïde et fixez la coordonnée du support. Déplacez ensuite le support le long de la règle le long de l'axe du solénoïde jusqu'à ce que l'extrémité du capteur se trouve de l'autre côté du solénoïde. Fixez la coordonnée du support dans cette position. La coordonnée centrale du solénoïde sera égale à la moyenne arithmétique des deux coordonnées mesurées.

Tableau 3 Dépendance de l'induction magnétique sur l'axe du solénoïde sur la distance à son centre.

2.5. Répétez les points 1.3 à 1.7.

2.6. Mesurer la dépendance de l'induction au centre du solénoïde sur la force du courant traversant la bobine. Entrez les données dans le tableau 4.

Tableau 4 Dépendance de l'induction magnétique au centre du solénoïde de l'intensité du courant dans celui-ci

3. Étude du champ magnétique d'un conducteur continu avec courant

3.1. En tant qu'objet à l'étude 5, installez un conducteur droit avec courant (Fig. 9, a). Pour ce faire, connectez les fils provenant de l'ampèremètre et de la source d'alimentation entre eux (court-circuitez le circuit externe) et placez le conducteur directement sur le bord de la sonde 3 près du capteur 4, perpendiculairement à la sonde (Fig. 9, b) . Pour supporter le conducteur, utilisez un banc métallique réglable en hauteur en matériau non magnétique d'un côté de la sonde et un support pour échantillons de test de l'autre côté (l'une des douilles du support peut inclure une borne de conducteur pour une fixation plus fiable de ce conducteur). Donnez au conducteur une forme droite.

3.2. Répétez les points 1.3 à 1.5.

3.3. Déterminez la dépendance de l'induction magnétique à l'intensité du courant dans le conducteur. Entrez les données mesurées dans le tableau 5.

Tableau 5 Dépendance de l'induction magnétique créée par un conducteur droit sur l'intensité du courant dans celui-ci

4. Détermination des paramètres des objets étudiés

4.1. Déterminer (si nécessaire, mesurer) et consigner dans le tableau 6 les données nécessaires aux calculs : N à est le nombre de spires de la bobine courte, R est son rayon ; Ns est le nombre de tours du solénoïde, je- sa longueur, L- son inductance (indiquée sur le solénoïde), ré est son diamètre.

Tableau 6 Paramètres des échantillons étudiés

NÀ	R	N Avec	ré	je	L

Traitement des résultats

1. À l'aide de la formule (10), calculez l'induction magnétique créée par une bobine courte avec du courant. Entrez les données dans les tableaux 1 et 2. Sur la base des données du tableau 1, construisez les dépendances théoriques et expérimentales de l'induction magnétique sur l'axe d'une bobine courte à partir de la distance z au centre de la bobine. Les dépendances théoriques et expérimentales sont tracées dans les mêmes axes de coordonnées.

2. Sur la base des données du tableau 2, tracez les dépendances théoriques et expérimentales de l'induction magnétique au centre d'une bobine courte sur l'intensité du courant dans celle-ci. Les dépendances théoriques et expérimentales sont tracées dans les mêmes axes de coordonnées. Calculez l'intensité du champ magnétique au centre de la bobine avec une intensité de courant de 5 A à l'aide de la formule (10).

3. À l'aide de la formule (12), calculez l'induction magnétique créée par le solénoïde. Entrez les données dans les tableaux 3 et 4. Selon le tableau 3, tracez les dépendances théoriques et expérimentales de l'induction magnétique sur l'axe du solénoïde à partir de la distance z à son centre. Les dépendances théoriques et expérimentales sont tracées dans les mêmes axes de coordonnées.

4. Sur la base des données du tableau 4, construisez les dépendances théoriques et expérimentales de l'induction magnétique au centre du solénoïde sur l'intensité du courant dans celui-ci. Les dépendances théoriques et expérimentales sont tracées dans les mêmes axes de coordonnées. Calculez l'intensité du champ magnétique au centre du solénoïde avec une intensité de courant de 5 A.

5. Selon le tableau 5, construisez une dépendance expérimentale de l'induction magnétique créée par le conducteur sur l'intensité du courant qu'il contient.

6. Sur la base de la formule (5), déterminez la distance la plus courte r o du capteur au conducteur avec courant (cette distance est déterminée par l'épaisseur de l'isolant du conducteur et l'épaisseur de l'isolant du capteur dans la sonde). Inscrire les résultats du calcul dans le tableau 5. Calculer la moyenne arithmétique r o , comparer avec une valeur observée visuellement.

7. Calculer l'inductance du solénoïde L Entrez les résultats des calculs dans le tableau 4. Comparez la valeur moyenne obtenue L avec une valeur fixe d'inductance dans le tableau 6. Pour calculer, utilisez la formule, où Oui- liaison de flux, Oui = N avec BS, où V- induction magnétique dans le solénoïde (selon tableau 4), S=p ré 2/4 est la section transversale du solénoïde.

Questions de contrôle

1. Qu'est-ce que la loi de Biot-Savart-Laplace et comment l'appliquer lors du calcul des champs magnétiques des conducteurs porteurs de courant ?

2. Comment la direction d'un vecteur est déterminée H dans la loi Biot-Savart-Laplace ?

3. Comment les vecteurs d'induction magnétique sont interconnectés B et tensions H Entre elles? Quelles sont leurs unités de mesure ?

4. Comment la loi de Biot-Savart-Laplace est-elle utilisée dans le calcul des champs magnétiques ?

5. Comment le champ magnétique est-il mesuré dans cette œuvre ? Sur quel phénomène physique repose le principe de la mesure du champ magnétique ?

6. Définir l'inductance, le flux magnétique, la liaison de flux. Spécifiez les unités de mesure pour ces quantités.

liste bibliographique

littérature éducative

1. Kalachnikov N.P. Fondamentaux de la physique. M. : Outarde, 2004. Tome 1

2. Saveliev I.V.. Cours de physique. M. : Nauka, 1998. T. 2.

3. Detlaf A.A.,Yavorsky B.M. Cours de physique. Moscou : École supérieure, 2000.

4. Irodov IEÉlectromagnétisme. M. : Binom, 2006.

5. Yavorsky B.M.,Detlaf A.A. Manuel de physique. M. : Nauka, 1998.

Nous continuons à étudier la problématique des phénomènes électromagnétiques. Et dans la leçon d'aujourd'hui, nous considérerons le champ magnétique d'une bobine avec du courant et un électroaimant.

Le plus grand intérêt pratique est le champ magnétique d'une bobine conductrice de courant. Pour obtenir une bobine, vous devez prendre un conducteur isolé et l'enrouler autour du cadre. Une telle bobine contient un grand nombre de spires de fil. Attention : ces fils sont enroulés sur une armature en plastique et ce fil comporte deux fils (Fig. 1).

Riz. 1. Bobine

L'étude du champ magnétique de la bobine a été réalisée par deux scientifiques célèbres : André-Marie Ampère et François Arago. Ils ont découvert que le champ magnétique de la bobine est exactement le même que le champ magnétique d'un aimant permanent (Fig. 2).

Riz. 2. Champ magnétique de la bobine et de l'aimant permanent

Pourquoi les lignes magnétiques de la bobine ressemblent-elles à ceci

Si un courant continu traverse un conducteur droit, un champ magnétique se crée autour de lui. La direction du champ magnétique peut être déterminée par la "règle de la vrille" (Fig. 3).

Riz. 3. Champ magnétique d'un conducteur

Nous plions ce conducteur en spirale. Le sens du courant reste le même, le champ magnétique du conducteur existe également autour du conducteur, le champ des différentes sections du conducteur s'ajoute. A l'intérieur de la bobine, le champ magnétique sera concentré. En conséquence, nous obtenons l'image suivante du champ magnétique de la bobine (Fig. 4).

Riz. 4. Champ magnétique de la bobine

Il existe un champ magnétique autour d'une bobine porteuse de courant. Comme le champ d'un conducteur direct, il peut être détecté à l'aide de sciure de bois (Fig. 5). Les lignes de champ magnétique d'une bobine alimentée en courant sont également fermées.

Riz. 5. L'emplacement de la limaille de métal près de la bobine actuelle

Si une bobine avec du courant est suspendue sur des conducteurs fins et flexibles, elle sera installée de la même manière qu'une aiguille de boussole magnétique. Une extrémité de la bobine sera orientée vers le nord, l'autre vers le sud. Cela signifie qu'une bobine avec du courant, comme une aiguille magnétique, a deux pôles - nord et sud (Fig. 6).

Riz. 6. Pôles de bobine

Sur les schémas électriques, la bobine est indiquée comme suit :

Riz. 7. Désignation de la bobine sur les schémas

Les bobines avec courant sont largement utilisées dans la technologie comme aimants. Ils sont commodes en ce que leur action magnétique peut varier sur une large plage.

Le champ magnétique de la bobine est grand par rapport au champ magnétique du conducteur (pour la même intensité de courant).

Lorsqu'un courant traverse une bobine, un champ magnétique se forme autour de celle-ci. Plus le courant circule dans la bobine, plus le champ magnétique sera fort.

Il peut être fixé avec une aiguille magnétique ou des copeaux de métal.
De plus, le champ magnétique de la bobine dépend du nombre de spires. Le champ magnétique d'une bobine avec du courant est plus fort, plus le nombre de tours qu'elle contient est grand. C'est-à-dire que nous pouvons ajuster le champ de la bobine en modifiant le nombre de ses tours ou le courant électrique circulant dans la bobine.

Mais le plus intéressant fut la découverte de l'ingénieur anglais Sturgeon. Il a démontré ce qui suit : le scientifique a pris et mis la bobine sur le noyau de fer. Le fait est qu'en faisant passer un courant électrique à travers les spires de ces bobines, le champ magnétique a augmenté plusieurs fois - et tous les objets en fer qui se trouvaient autour ont commencé à être attirés par cet appareil (Fig. 8). Cet appareil est appelé "électroaimant".

Riz. 8. Électro-aimant

Lorsqu'ils ont pensé à fabriquer un crochet en fer et à le fixer à cet appareil, ils ont eu la possibilité de traîner diverses charges. Qu'est-ce donc qu'un électroaimant ?

Définition

Électro-aimant- il s'agit d'une bobine à grand nombre de spires, posée sur un noyau de fer, qui acquiert les propriétés d'un aimant lorsqu'un courant électrique traverse l'enroulement.

L'électroaimant dans le schéma est désigné comme une bobine et une ligne horizontale est située en haut (Fig. 9). Cette ligne représente le noyau de fer.

Riz. 9. Désignation de l'électroaimant

Lorsque nous avons étudié les phénomènes électriques, nous avons dit que le courant électrique avait différentes propriétés, notamment magnétiques. Et l'une des expériences dont nous avons discuté était liée au fait que nous prenons un fil connecté à une source de courant, l'enroulons autour d'un clou en fer et observons comment divers objets en fer commencent à être attirés par ce clou (Fig. 10). C'est l'électroaimant le plus simple. Et maintenant, nous comprenons que l'électroaimant le plus simple nous est fourni par le flux de courant dans la bobine, un grand nombre de spires et, bien sûr, un noyau métallique.

Riz. 10. L'électroaimant le plus simple

Aujourd'hui, les électroaimants sont très répandus. Les électroaimants fonctionnent presque n'importe où et partout. Par exemple, si nous devons traîner des charges suffisamment importantes, nous utilisons des électroaimants. Et en ajustant la force du courant, nous allons, en conséquence, augmenter ou diminuer la force. Un autre exemple d'utilisation des électroaimants est la cloche électrique.

L'ouverture et la fermeture des portes et les freins de certains véhicules (par exemple les tramways) sont également assurés par des électroaimants.

Bibliographie

Gendenstein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. Physique 8 / Éd. Orlova V.A., Roizena I.I. - M. : Mnémosyne.
Perychkine A.V. Physique 8.-M. : Outarde, 2010.
Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Physique 8.-M. : Lumières.

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Devoirs

Qu'est-ce qu'une bobine ?
Une bobine a-t-elle un champ magnétique ?
Décris l'électroaimant le plus simple.

Il serait logique de parler d'un autre représentant des éléments radio passifs - les inductances. Mais l'histoire à leur sujet devra partir de loin, rappelons l'existence d'un champ magnétique, car c'est le champ magnétique qui entoure et imprègne les bobines, c'est dans le champ magnétique, le plus souvent variable, que fonctionnent les bobines. Bref, c'est leur habitat.

Le magnétisme comme propriété de la matière

Le magnétisme est l'une des propriétés les plus importantes de la matière, tout comme, par exemple, la masse ou le champ électrique. Les phénomènes du magnétisme, cependant, ainsi que l'électricité, sont connus depuis longtemps, mais la science de l'époque ne pouvait pas expliquer l'essence de ces phénomènes. Un phénomène incompréhensible s'appelait "magnétisme" du nom de la ville de Magnésie, qui se trouvait autrefois en Asie Mineure. C'est à partir du minerai extrait à proximité que des aimants permanents ont été obtenus.

Mais les aimants permanents ne sont pas particulièrement intéressants dans le cadre de cet article. Puisqu'il a été promis de parler d'inducteurs, nous parlerons très probablement d'électromagnétisme, car il est loin d'être un secret qu'il existe un champ magnétique même autour d'un fil avec du courant.

Dans les conditions modernes, il est assez facile d'étudier le phénomène du magnétisme au niveau initial, du moins au moins. Pour ce faire, vous devez assembler le circuit électrique le plus simple à partir d'une batterie et d'une ampoule pour une lampe de poche. Une boussole ordinaire peut être utilisée comme indicateur du champ magnétique, de sa direction et de son intensité.

Champ magnétique CC

Comme vous le savez, la boussole indique la direction vers le Nord. Si vous placez les fils du circuit le plus simple mentionné ci-dessus à proximité et allumez l'ampoule, l'aiguille de la boussole s'écartera quelque peu de sa position normale.

En connectant une autre ampoule en parallèle, vous pouvez doubler le courant dans le circuit, ce qui augmentera légèrement l'angle de rotation de la flèche. Cela suggère que le champ magnétique du fil conducteur de courant est devenu plus grand. C'est sur ce principe que fonctionnent les instruments de mesure à aiguille.

Si la polarité de la pile est inversée, l'aiguille de la boussole tournera également l'autre extrémité - la direction du champ magnétique dans les fils a également changé de direction. Lorsque le circuit est éteint, l'aiguille de la boussole revient à sa position légitime. Il n'y a pas de courant dans la bobine et il n'y a pas de champ magnétique.

Dans toutes ces expériences, la boussole joue le rôle d'une aiguille magnétique de test, tout comme l'étude d'un champ électrique constant est réalisée par une charge électrique de test.

Sur la base d'expériences aussi simples, on peut conclure que le magnétisme est dû à un courant électrique : plus ce courant est fort, plus les propriétés magnétiques du conducteur sont fortes. Et d'où vient alors le champ magnétique des aimants permanents, car personne ne leur a connecté une batterie avec des fils?

Des recherches scientifiques fondamentales ont prouvé que le magnétisme permanent repose également sur des phénomènes électriques : chaque électron est dans son propre champ électrique et possède des propriétés magnétiques élémentaires. Ce n'est que dans la plupart des substances que ces propriétés sont mutuellement neutralisées, et dans certaines, pour une raison quelconque, elles s'additionnent pour former un seul gros aimant.

Bien sûr, en réalité, tout n'est pas si primitif et simple, mais, en général, même les aimants permanents ont leurs merveilleuses propriétés dues au mouvement des charges électriques.

Que sont les lignes magnétiques ?

Les lignes magnétiques peuvent être vues visuellement. Dans une expérience scolaire en cours de physique, pour cela, de la limaille de métal est coulée sur une feuille de carton et un aimant permanent est placé en dessous. En tapotant légèrement sur une feuille de carton, vous pouvez obtenir l'image illustrée à la figure 1.

Image 1.

Il est facile de voir que les lignes de force magnétiques sortent du pôle nord et entrent dans le sud sans se rompre. Bien sûr, on peut dire que, au contraire, du sud vers le nord, mais c'est ainsi accepté, donc, du nord vers le sud. De la même manière qu'autrefois ils prenaient le sens du courant du plus au moins.

Si, au lieu d'un aimant permanent, un fil avec du courant passe à travers le carton, la limaille de métal le montrera, le conducteur, un champ magnétique. Ce champ magnétique a la forme de lignes circulaires concentriques.

Pour étudier le champ magnétique, vous pouvez vous passer de sciure de bois. Il suffit de déplacer une aiguille magnétique de test autour d'un conducteur porteur de courant pour voir que les lignes de force magnétiques sont bien des cercles concentriques fermés. Si nous déplaçons la flèche de test dans la direction où le champ magnétique la dévie, nous reviendrons certainement au même point à partir duquel nous avons commencé à nous déplacer. De même, comme marcher autour de la Terre : si vous allez n'importe où sans vous retourner, alors tôt ou tard vous arriverez au même endroit.

Figure 2.

La direction du champ magnétique d'un conducteur avec du courant est déterminée par la règle d'une vrille, un outil pour percer des trous dans un arbre. Tout est ici très simple : il faut faire tourner la vrille pour que son mouvement de translation coïncide avec le sens du courant dans le fil, puis le sens de rotation de la poignée indiquera où est dirigé le champ magnétique.

figure 3

"Le courant vient de nous" - la croix au milieu du cercle est le plumage d'une flèche volant au-delà du plan de l'image, et où "Le courant vient à nous", la pointe de flèche est montrée volant derrière le plan de la feuille . Au moins, une telle explication de ces désignations a été donnée dans les cours de physique à l'école.

Figure 4

Si nous appliquons la règle de la vrille à chaque conducteur, alors en déterminant la direction du champ magnétique dans chaque conducteur, nous pouvons dire avec confiance que les conducteurs ayant la même direction de courant s'attirent et que leurs champs magnétiques s'additionnent. Les conducteurs avec des courants de directions différentes se repoussent, leur champ magnétique est compensé.

Inducteur

Si un conducteur avec courant est réalisé sous la forme d'un anneau (bobine), il a alors ses propres pôles magnétiques, nord et sud. Mais le champ magnétique d'un tour est généralement faible. De bien meilleurs résultats peuvent être obtenus en enroulant le fil sous la forme d'une bobine. Une telle pièce est appelée inductance ou simplement inductance. Dans ce cas, les champs magnétiques des spires individuelles s'additionnent, se renforçant mutuellement.

Figure 5

La figure 5 montre comment la somme des champs magnétiques de la bobine peut être obtenue. Il semble que chaque tour puisse être alimenté à partir de sa propre source, comme le montre la Fig. 5.2, mais il est plus facile de connecter les spires en série (enroulez simplement avec un seul fil).

Il est bien évident que plus la bobine a de spires, plus son champ magnétique est fort. Le champ magnétique dépend également du courant traversant la bobine. Il est donc tout à fait légitime d'évaluer la capacité d'une bobine à créer un champ magnétique simplement en multipliant le courant traversant la bobine (A) par le nombre de spires (W). Cette valeur est appelée ampère - tours.

bobine centrale

Le champ magnétique créé par la bobine peut être considérablement augmenté si un noyau de matériau ferromagnétique est inséré dans la bobine. La figure 6 montre un tableau avec la perméabilité magnétique relative de diverses substances.

Par exemple, l'acier du transformateur rendra le champ magnétique environ 7 à 7 500 fois plus fort qu'en l'absence de noyau. En d'autres termes, à l'intérieur du noyau, le champ magnétique fera tourner l'aiguille magnétique 7000 fois plus fort (cela ne peut être imaginé que mentalement).

Figure 6

Les substances paramagnétiques et diamagnétiques sont situées en haut du tableau. La perméabilité magnétique relative µ est relative au vide. Par conséquent, les substances paramagnétiques augmentent légèrement le champ magnétique, tandis que les substances diamagnétiques l'affaiblissent légèrement. En général, ces substances n'ont pas d'effet particulier sur le champ magnétique. Bien que, à des fréquences élevées, des noyaux en laiton ou en aluminium soient parfois utilisés pour régler les circuits.

Au bas du tableau se trouvent des substances ferromagnétiques, qui améliorent considérablement le champ magnétique de la bobine avec le courant. Ainsi, par exemple, un noyau en acier de transformateur renforcera le champ magnétique exactement 7500 fois.

Quoi et comment mesurer le champ magnétique

Lorsque des unités étaient nécessaires pour mesurer des grandeurs électriques, la charge d'un électron était prise comme étalon. À partir de la charge électronique, une unité très réelle et même tangible s'est formée - le pendentif, et sur sa base, tout s'est avéré simple: ampère, volt, ohm, joule, watt, farad.

Et que peut-on prendre comme point de départ pour mesurer les champs magnétiques ? Il est très problématique de lier un électron au champ magnétique d'une manière ou d'une autre. Par conséquent, en tant qu'unité de mesure du magnétisme, un conducteur est adopté, à travers lequel un courant continu de 1 A circule.

La principale caractéristique de ce type est la tension (H). Il montre avec quelle force le champ magnétique agit sur le conducteur de test mentionné ci-dessus, s'il se produit dans le vide. Le vide est destiné à exclure l'influence de l'environnement, donc cette caractéristique - la tension est considérée comme absolument pure. L'unité de tension est l'ampère par mètre (a/m). Une telle tension apparaît à une distance de 16 cm du conducteur, parcouru par un courant de 1A.

L'intensité du champ ne parle que de la capacité théorique du champ magnétique. La capacité réelle d'agir se traduit par une autre valeur d'induction magnétique (B). C'est elle qui montre la force réelle avec laquelle le champ magnétique agit sur un conducteur avec un courant de 1A.

Figure 7

Si un courant de 1A circule dans un conducteur de 1m de long et qu'il est poussé (attiré) avec une force de 1N (102G), alors ils disent que la magnitude de l'induction magnétique à ce point est exactement de 1 Tesla.

L'induction magnétique est une grandeur vectorielle, en plus de la valeur numérique, elle a également une direction, qui coïncide toujours avec la direction de l'aiguille magnétique de test dans le champ magnétique étudié.

Figure 8

L'unité d'induction magnétique est le tesla (TL), bien qu'en pratique une unité de Gauss plus petite soit souvent utilisée : 1TL = 10 000 Gauss. C'est beaucoup ou un peu ? Le champ magnétique près d'un aimant puissant peut atteindre plusieurs T, près de l'aiguille magnétique d'une boussole pas plus de 100 gauss, le champ magnétique terrestre près de la surface est d'environ 0,01 gauss et même inférieur.

Le vecteur d'induction magnétique B ne caractérise le champ magnétique qu'en un point de l'espace. Pour évaluer l'action d'un champ magnétique dans un certain espace, un concept tel qu'un flux magnétique (Φ) est également introduit.

En fait, il représente le nombre de lignes d'induction magnétique passant par un espace donné, par une zone : Φ=B*S*cosα. Cette image peut être représentée par des gouttes de pluie : une ligne est une goutte (B), et ensemble, c'est un flux magnétique Φ. C'est ainsi que les lignes de force magnétiques des spires individuelles de la bobine sont connectées en un flux commun.

Figure 9

Dans le système SI, Weber (Wb) est pris comme unité de flux magnétique, un tel flux se produit lorsqu'une induction de 1 T agit sur une surface de 1 m².

Le flux magnétique dans divers appareils (moteurs, transformateurs, etc.) passe généralement par un certain chemin, appelé circuit magnétique ou simplement circuit magnétique. Si le circuit magnétique est fermé (le noyau d'un transformateur en anneau), sa résistance est faible, le flux magnétique passe sans entrave, concentré à l'intérieur du noyau. La figure ci-dessous montre des exemples de bobines avec des circuits magnétiques fermés et ouverts.

Figure 10.

Mais le noyau peut être scié et un morceau peut en être retiré pour créer un entrefer magnétique. Cela augmentera la résistance magnétique globale du circuit, donc réduira le flux magnétique et, en général, l'induction dans tout le noyau diminuera. C'est la même chose que de souder une grande résistance en série dans un circuit électrique.

Figure 11.

Si l'entrefer résultant est bouché avec une pièce d'acier, il s'avère qu'une section supplémentaire avec une résistance magnétique inférieure est connectée parallèlement à l'entrefer, ce qui rétablira le flux magnétique perturbé. Ceci est très similaire à un shunt dans les circuits électriques. Soit dit en passant, il existe également une loi pour un circuit magnétique, qui s'appelle la loi d'Ohm pour un circuit magnétique.

Figure 12.

L'essentiel du flux magnétique passera par le shunt magnétique. C'est ce phénomène qui est utilisé dans l'enregistrement magnétique de signaux audio ou vidéo : la couche ferromagnétique de la bande comble l'espace au cœur des têtes magnétiques, et tout le flux magnétique se referme à travers la bande.

La direction du flux magnétique généré par la bobine peut être déterminée à l'aide de la règle de la main droite : si les quatre doigts étendus indiquent la direction du courant dans la bobine, le pouce indiquera la direction des lignes magnétiques, comme le montre la figure 13.

Figure 13.

Il est généralement admis que les lignes magnétiques partent du pôle nord et pénètrent dans le sud. Par conséquent, le pouce dans ce cas indique l'emplacement du pôle sud. Pour vérifier s'il en est ainsi, vous pouvez à nouveau utiliser l'aiguille de la boussole.

Comment fonctionne un moteur électrique

On sait que l'électricité peut créer de la lumière et de la chaleur, participer à des processus électrochimiques. Après vous être familiarisé avec les bases du magnétisme, vous pouvez parler du fonctionnement des moteurs électriques.

Les moteurs électriques peuvent être de conception, de puissance et de principe de fonctionnement très différents : par exemple, courant continu et alternatif, pas à pas ou collecteur. Mais avec toute la variété des conceptions, le principe de fonctionnement est basé sur l'interaction des champs magnétiques du rotor et du stator.

Pour obtenir ces champs magnétiques, on fait passer un courant dans les bobinages. Plus le courant est important et plus l'induction magnétique du champ magnétique externe est élevée, plus le moteur est puissant. Les circuits magnétiques sont utilisés pour amplifier ce champ, c'est pourquoi il y a tant de pièces en acier dans les moteurs électriques. Certains modèles de moteurs à courant continu utilisent des aimants permanents.

Figure 14.

Ici, on peut dire, tout est clair et simple : on a fait passer un courant dans le fil, on a obtenu un champ magnétique. L'interaction avec un autre champ magnétique fait bouger ce conducteur, et même effectuer un travail mécanique.

Le sens de rotation peut être déterminé par la règle de la main gauche. Si les quatre doigts tendus indiquent la direction du courant dans le conducteur et que les lignes magnétiques pénètrent dans la paume, le pouce plié indiquera la direction de l'expulsion du conducteur dans le champ magnétique.

Une charge électrique en mouvement crée un champ magnétique dans l'espace environnant. Le flux d'électrons traversant un conducteur crée un champ magnétique autour du conducteur. Si un fil métallique est enroulé en anneaux sur une tige, une bobine sera obtenue. Il s'avère que le champ magnétique créé par une telle bobine possède des propriétés intéressantes et surtout utiles.

Pourquoi un champ magnétique apparaît-il

Les propriétés magnétiques de certaines substances, qui permettent d'attirer des objets métalliques, sont connues depuis l'Antiquité. Mais ce n'est qu'au début du XIXe siècle qu'il a été possible de se rapprocher de la compréhension de l'essence de ce phénomène. Par analogie avec les charges électriques, on a tenté d'expliquer les effets magnétiques à l'aide de certaines charges magnétiques (dipôles). En 1820, le physicien danois Hans Oersted a découvert qu'une aiguille magnétique dévie lorsqu'un courant électrique passe à travers un conducteur à proximité.

Dans le même temps, le chercheur français André Ampère a découvert que deux conducteurs situés parallèlement l'un à l'autre provoquent une attraction mutuelle lorsqu'un courant électrique les traverse dans un sens et une répulsion si les courants sont dirigés dans des directions différentes.

Riz. 1. L'expérience d'Ampère avec les fils conducteurs de courant. Aiguille de boussole près d'un fil avec courant

Sur la base de ces observations, Ampère a conclu que l'interaction du courant avec une flèche, l'attraction (et la répulsion) des fils et des aimants permanents entre eux peuvent s'expliquer si l'on suppose que le champ magnétique est créé par des charges électriques en mouvement. De plus, Ampère a avancé une hypothèse audacieuse, selon laquelle il existe des courants moléculaires non amortis à l'intérieur de la substance, qui sont à l'origine de l'émergence d'un champ magnétique constant. Alors tous les phénomènes magnétiques peuvent être expliqués par l'interaction de charges électriques en mouvement, et aucune charge magnétique spéciale n'existe.

Le modèle mathématique (théorie), à l'aide duquel il est devenu possible de calculer l'amplitude du champ magnétique et la force de l'interaction, a été développé par le physicien anglais James Maxwell. Des équations de Maxwell, qui combinaient les phénomènes électriques et magnétiques, il découlait que :

Le champ magnétique n'apparaît qu'à la suite du mouvement des charges électriques ;
Un champ magnétique constant existe dans les corps magnétiques naturels, mais dans ce cas, la cause du champ est le mouvement continu des courants moléculaires (vortex) dans la masse de matière ;
Un champ magnétique peut également être créé à l'aide d'un champ électrique alternatif, mais ce sujet sera abordé dans nos prochains articles.

Le champ magnétique d'une bobine avec du courant

Un fil métallique enroulé en anneaux sur n'importe quelle tige cylindrique (bois, plastique, etc.) est une bobine électromagnétique. Le fil doit être isolé, c'est-à-dire recouvert d'une sorte d'isolant (laque ou tresse plastique) pour éviter de court-circuiter les spires adjacentes. En raison du flux de courant, les champs magnétiques de toutes les spires s'additionnent et il s'avère que le champ magnétique total de la bobine conductrice de courant est identique (complètement similaire) au champ magnétique d'un aimant permanent.

Riz. 2. Champ magnétique de la bobine et de l'aimant permanent.

A l'intérieur de la bobine, le champ magnétique sera uniforme, comme dans un aimant permanent. De l'extérieur, les lignes de champ magnétique d'une bobine de courant peuvent être détectées à l'aide de fines particules de métal. Les lignes de champ magnétique sont fermées. Par analogie avec une aiguille de boussole magnétique, une bobine avec courant a deux pôles - sud et nord. Les lignes de force sortent du pôle nord et se terminent au sud.

Pour les bobines avec courant, il existe des noms supplémentaires et distincts qui sont utilisés en fonction de l'application :

Inducteur, ou simplement - inductance. Le terme est utilisé en ingénierie radio;
Manette de Gaz(throssel - régulateur, limiteur). Utilisé en génie électrique;
Solénoïde. Ce mot composé vient de deux mots grecs : solen - canal, pipe et eidos - semblable). C'est le nom de bobines spéciales avec des noyaux en alliages magnétiques spéciaux (ferromagnétiques), qui sont utilisées comme mécanismes électromécaniques. Par exemple, dans les démarreurs de voiture, le relais rétracteur est un solénoïde.

Riz. 3. Inducteurs, starter, solénoïde

Énergie du champ magnétique

Dans une bobine avec courant, l'énergie est stockée à partir d'une source d'alimentation (batterie, accumulateur), qui est d'autant plus grande que le courant I et la valeur L, appelée inductance, sont élevés. L'énergie du champ magnétique d'une bobine avec le courant W est calculée à l'aide de la formule :

$$ W = (( L*I^2)\plus de 2 ) $$

Cette formule ressemble à la formule de l'énergie cinétique d'un corps. L'inductance est similaire à la masse du corps et le courant est similaire à la vitesse du corps. L'énergie magnétique est proportionnelle au carré du courant, tout comme l'énergie cinétique est proportionnelle au carré de la vitesse.

Pour calculer la valeur de l'inductance de la bobine, il existe la formule suivante :

$$ L = μ *((N^2*S)\sur l_k) $$

N est le nombre de spires de la bobine ;

S est la section transversale de la bobine;

l à - la longueur de la bobine;

μ - perméabilité magnétique du matériau du noyau - une valeur de référence. Le noyau est une tige métallique placée à l'intérieur de la bobine. Il vous permet d'augmenter considérablement l'amplitude du champ magnétique.

Qu'avons-nous appris ?

Ainsi, nous avons appris que le champ magnétique n'apparaît qu'à la suite du mouvement des charges électriques. Le champ magnétique d'une bobine avec du courant est similaire au champ magnétique d'un aimant permanent. L'énergie du champ magnétique de la bobine peut être calculée en connaissant l'intensité du courant I et l'inductance L.

Questionnaire sur le sujet

Évaluation du rapport

Note moyenne: 4 . Total des notes reçues : 52.

Si un conducteur droit est plié en cercle, le champ magnétique du courant circulaire peut être étudié.
Réalisons l'expérience (1). Passer le fil en forme de cercle à travers le carton. Plaçons quelques flèches magnétiques libres sur la surface du carton à divers endroits. Allumez le courant et voyez que les flèches magnétiques au centre de la bobine indiquent la même direction et à l'extérieur de la bobine des deux côtés dans l'autre sens.
Répétons maintenant l'expérience (2), en changeant les pôles, et donc la direction du courant. On voit que les flèches magnétiques ont changé de direction sur toute la surface du carton de 180 degrés.
Nous concluons : les lignes magnétiques du courant circulaire dépendent aussi du sens du courant dans le conducteur.
Faisons une expérience 3. Retirons les flèches magnétiques, allumons le courant électrique et versons soigneusement de la petite limaille de fer sur toute la surface du carton. Comment, dans ce cas, déterminer la direction des lignes de champ magnétique ? Encore une fois, nous appliquons la règle de la vrille, mais telle qu'appliquée au courant circulaire. Si le sens de rotation de la poignée de la vrille est aligné avec la direction du courant dans le conducteur circulaire, alors la direction du mouvement de translation de la vrille coïncidera avec la direction des lignes de force magnétiques.
Considérons plusieurs cas.
1. Le plan de la bobine se trouve dans le plan de la feuille, le courant à travers la bobine va dans le sens des aiguilles d'une montre. En faisant tourner la bobine dans le sens des aiguilles d'une montre, nous déterminons que les lignes de force magnétiques au centre de la bobine sont dirigées à l'intérieur de la bobine "loin de nous". Ceci est classiquement indiqué par un signe "+" (plus). Celles. au centre de la bobine on met "+"
2. Le plan de la bobine se trouve dans le plan de la feuille, le courant à travers la bobine va dans le sens antihoraire. En faisant tourner la bobine dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, nous déterminons que les lignes de force magnétiques sortent du centre de la bobine "vers nous". Ceci est classiquement désigné par "∙" (point). Celles. au centre de la bobine, il faut mettre un point ("∙").
Si un conducteur droit est enroulé autour d'un cylindre, alors une bobine avec du courant, ou un solénoïde, sera obtenu.
Faisons une expérience (4.) Nous utilisons le même circuit pour l'expérience, seul le fil est maintenant passé à travers du carton sous la forme d'une bobine. Plaçons plusieurs flèches magnétiques libres sur le plan du carton à différents endroits : aux deux extrémités de la bobine, à l'intérieur de la bobine et de part et d'autre à l'extérieur. Laissez la bobine être placée horizontalement (sens de gauche à droite). Allumez le circuit et constatez que les aiguilles magnétiques situées le long de l'axe de la bobine indiquent une direction. On remarque qu'à l'extrémité droite de la bobine, la flèche indique que les lignes de force pénètrent dans la bobine, ce qui signifie qu'il s'agit du "pôle sud" (S), et à gauche, l'aiguille aimantée indique qu'elles sont en partant, c'est le "pôle nord" (N). A l'extérieur de la bobine, les aiguilles magnétiques ont le sens opposé par rapport au sens à l'intérieur de la bobine.
Réalisons l'expérience (5). Dans le même circuit, changez le sens du courant. Nous constatons que la direction de toutes les flèches magnétiques a changé, elles ont tourné de 180 degrés. Nous concluons : la direction des lignes de champ magnétique dépend de la direction du courant à travers les spires de la bobine.
Réalisons l'expérience (6). Retirez les flèches magnétiques et allumez le circuit. « Saler soigneusement avec de la limaille de fer » le carton à l'intérieur et à l'extérieur de la bobine. Nous obtenons une image des lignes de champ magnétique, appelée "spectre du champ magnétique d'une bobine avec courant"
Mais comment déterminer la direction des lignes de champ magnétique ? Le sens des lignes de champ magnétique est déterminé selon la règle de la vrille de la même manière que pour une bobine avec courant : si le sens de rotation de la poignée de la vrille est aligné avec le sens du courant dans les bobines, alors le sens de le mouvement de translation coïncidera avec la direction des lignes de champ magnétique à l'intérieur du solénoïde. Le champ magnétique d'un solénoïde est similaire à celui d'un barreau aimanté permanent. L'extrémité de la bobine d'où sortent les lignes de force sera le "pôle nord" (N), et celle dans laquelle entrent les lignes de force sera le "pôle sud" (S).
Après la découverte de Hans Oersted, de nombreux scientifiques ont commencé à répéter ses expériences, en inventant de nouvelles afin de trouver des preuves du lien entre l'électricité et le magnétisme. Le scientifique français Dominique Arago a placé une tige de fer dans un tube de verre et enroulé un fil de cuivre dessus, à travers lequel il a fait passer un courant électrique. Dès qu'Arago a fermé le circuit électrique, la tige de fer est devenue si fortement magnétisée qu'elle a attiré les clés de fer vers elle. Il a fallu beaucoup d'efforts pour retirer les clés. Quand Arago a éteint la source d'alimentation, les clés sont tombées d'elles-mêmes ! Arago a donc inventé le premier électroaimant. Les électroaimants modernes se composent de trois parties : enroulement, noyau et armature. Les fils sont placés dans une gaine spéciale, qui joue le rôle d'isolant. Une bobine multicouche est enroulée avec un fil - l'enroulement d'un électroaimant. Une tige en acier est utilisée comme noyau. La plaque qui est attirée vers le noyau s'appelle l'ancre. Les électro-aimants sont largement utilisés dans l'industrie en raison de leurs propriétés : ils se démagnétisent rapidement lorsque le courant est coupé ; ils peuvent être fabriqués dans une variété de tailles selon le but; En faisant varier le courant, l'action magnétique de l'électroaimant peut être contrôlée. Les électroaimants sont utilisés dans les usines pour transporter des produits en acier et en fonte. Ces aimants ont un grand pouvoir de levage. Les électroaimants sont également utilisés dans les sonnettes électriques, les séparateurs électromagnétiques, les microphones, les téléphones. Aujourd'hui, nous avons examiné le champ magnétique du courant circulaire, bobines avec courant. Nous nous sommes familiarisés avec les électroaimants, leur application dans l'industrie et dans l'économie nationale.