Magnetsko djelovanje zavojnice. Magnetsko polje zavojnice sa strujom. Što i kako mjeriti magnetsko polje

Vodič kroz koji teče električna struja stvara magnetsko polje koje je karakterizirano vektorom intenziteta `H(slika 3). Jačina magnetskog polja pokorava se principu superpozicije

i, prema Biot-Savart-Laplaceovom zakonu,

gdje ja je jačina struje u vodiču, vektor je duljine elementarnog segmenta vodiča i usmjeren u smjeru struje, `r je vektor radijusa koji povezuje element s razmatranom točkom P.

Jedna od najčešćih konfiguracija vodiča sa strujom je zavojnica u obliku prstena polumjera R (slika 3, a). Magnetno polje takve struje u ravnini koja prolazi kroz os simetrije ima oblik (vidi sliku 3, b). Polje kao cjelina mora imati rotacijsku simetriju oko osi z (slika 3, b), a same linije sile moraju biti simetrične oko ravnine petlje (ravnina xy). Polje u neposrednoj blizini vodiča sličit će polju u blizini dugačke ravne žice, budući da je utjecaj udaljenih dijelova petlje ovdje relativno mali. Na osi kružne struje polje je usmjereno duž osi Z.

Izračunajmo jakost magnetskog polja na osi prstena u točki koja se nalazi na udaljenosti z od ravnine prstena. Prema formuli (6) dovoljno je izračunati z-komponentu vektora:

. (7)

Integrirajući po cijelom prstenu, dobivamo òd l= 2p R. Budući da prema Pitagorinom teoremu r 2 = R 2 + z 2 , tada je traženo polje u točki na osi

. (8)

vektorski smjer `H može se usmjeriti prema pravilu desnog vijka.

U središtu prstena z= 0 i formula (8) je pojednostavljena:

Zainteresirani smo za kratki svitak- cilindrični svitak žice, koji se sastoji od N zavoji istog polumjera. Zbog aksijalne simetrije i u skladu s principom superpozicije, magnetsko polje takve zavojnice na H osi je algebarski zbroj polja pojedinih zavoja H ja: . Dakle, magnetsko polje kratke zavojnice koje sadrži N na zavoje, u proizvoljnoj točki na osi izračunava se po formulama

, , (10)

gdje H- napetost, B– indukcija magnetskog polja.



Magnetno polje solenoida sa strujom

Za izračunavanje indukcije magnetskog polja u solenoidu koristi se teorem o kruženju vektora magnetske indukcije:

, (11)

gdje je algebarski zbroj struja koje pokriva strujni krug L slobodni oblik, n- broj vodiča sa strujama koje pokriva strujni krug. U tom se slučaju svaka struja uzima u obzir onoliko puta koliko je pokrivena strujnim krugom, a struja se smatra pozitivnom, čiji smjer tvori desni vijčani sustav sa smjerom zaobilaznice duž strujnog kruga - kruga element L.

Primijenimo teorem o kruženju vektora magnetske indukcije na solenoid duljine l imajući N sa zavojima sa strujom ja(slika 4). U proračunu se uzima u obzir da je gotovo cijelo polje koncentrirano unutar solenoida (rubni efekti su zanemareni) i da je homogeno. Tada će formula 11 poprimiti oblik:

,

odakle nalazimo indukciju magnetskog polja koju stvara struja unutar solenoida:


Riža. 4. Solenoid sa strujom i njegovim magnetskim poljem


Shema instalacije

Riža. 5 Shematski dijagram instalacije

1 - mjerač indukcije magnetskog polja (teslametar), A - ampermetar, 2 - spojna žica, 3 - mjerna sonda, 4 - Hallov senzor *, 5 - predmet koji se proučava (kratka zavojnica, ravni vodič, solenoid), 6 - izvor struje, 7 - ravnalo za fiksiranje položaja senzora, 8 - držač sonde.

* - princip rada senzora temelji se na fenomenu Hallovog efekta (vidi lab. rad br. 15 Studija Hallovog efekta)

Radni nalog

1. Proučavanje magnetskog polja kratke zavojnice

1.1. Uključite aparate. Prekidači za napajanje i testametar nalaze se na stražnjim pločama.

1.2. Kao predmet proučavanja 5 (vidi sliku 5), stavite kratki svitak u držač i spojite ga na izvor struje 6.

1.3. Postavite regulator napona na izvoru 6 u srednji položaj. Postavite jačinu struje na nulu podešavanjem izlazne snage struje na izvoru 6 i kontrolirajte je ampermetrom (vrijednost mora biti nula).

1.4. Regulatori grubog 1 i finog ugađanja 2 (slika 6) postižu nula očitanja testametra.

1.5. Postavite držač s mjernom sondom na ravnalo u položaj prikladan za očitavanje - na primjer, na koordinatu od 300 mm. U budućnosti, uzmite ovu poziciju kao nulu. Tijekom instalacije i tijekom mjerenja, promatrajte paralelnost između sonde i ravnala.

1.6. Postavite držač s kratkom zavojnicom na način da Hallov senzor 4 bude u središtu zavoja zavojnice (slika 7). Da biste to učinili, koristite vijak za stezanje i podešavanje visine na držaču sonde. Ravnina svitka mora biti okomita na sondu. U procesu pripreme mjerenja pomaknite držač s ispitnim uzorkom, ostavljajući mjernu sondu nepomičnom.

1.7. Pazite da tijekom vremena zagrijavanja testametra njegova očitanja ostanu nula. Ako to nije učinjeno, postavite teslametar na nulu na nultu struju u uzorku.

1.8. Postavite struju kratkog svitka na 5 A (podešavanjem izlaza na napajanju 6, Constanter/Netzgerät Universal).

1.9. Izmjerite magnetsku indukciju B exp na osi zavojnice ovisno o udaljenosti do središta zavojnice. Da biste to učinili, pomaknite držač sonde duž ravnala, držeći ga paralelno s izvornim položajem. Negativne z vrijednosti odgovaraju pomaku sonde na područje manjih koordinata od početne, i obrnuto - pozitivne vrijednosti z - na područje velikih koordinata. Unesite podatke u tablicu 1.

Tablica 1. Ovisnost magnetske indukcije na osi kratke zavojnice o udaljenosti do središta zavojnice

1.10. Ponovite točke 1.2 - 1.7.

1.11. Izmjerite ovisnost indukcije u središtu zavojnice o jakosti struje koja prolazi kroz zavojnicu. Unesite podatke u tablicu 2.

Tablica 2. Ovisnost magnetske indukcije u središtu kratkog svitka o jakosti struje u njemu

2. Proučavanje magnetskog polja solenoida

2.1. Kao predmet proučavanja 5, postavite solenoid na metalnu klupu od nemagnetskog materijala podesivu po visini (slika 8).

2.2. Ponovite 1.3 - 1.5.

2.3. Podesite visinu klupe tako da mjerna sonda prolazi duž osi simetrije solenoida, a Hallov senzor bude u sredini zavoja solenoida.

2.4. Ponovite korake 1.7 - 1.11 (umjesto kratke zavojnice koristi se solenoid). Podatke unesite u tablice 3, odnosno 4. U tom slučaju odredite koordinate središta solenoida na sljedeći način: ugradite Hallov senzor na početak solenoida i fiksirajte koordinatu držača. Zatim pomaknite držač duž ravnala duž osi solenoida sve dok kraj senzora ne bude na drugoj strani solenoida. Popravite koordinate držača u ovom položaju. Središnja koordinata solenoida bit će jednaka aritmetičkoj sredini dviju izmjerenih koordinata.

Tablica 3. Ovisnost magnetske indukcije na osi solenoida o udaljenosti do njezina središta.

2.5. Ponovite točke 1.3 - 1.7.

2.6. Izmjerite ovisnost indukcije u središtu solenoida o jačini struje koja prolazi kroz zavojnicu. Unesite podatke u tablicu 4.

Tablica 4. Ovisnost magnetske indukcije u središtu solenoida o jakosti struje u njemu

3. Proučavanje magnetskog polja izravnog vodiča sa strujom

3.1. Kao predmet proučavanja 5, ugradite ravni vodič sa strujom (slika 9, a). Da biste to učinili, spojite žice koje dolaze iz ampermetra i izvora napajanja jedna s drugom (skratite vanjski krug) i postavite vodič izravno na rub sonde 3 blizu senzora 4, okomito na sondu (slika 9, b) . Za podupiranje vodiča upotrijebite metalnu klupu podesivu po visini od nemagnetnog materijala s jedne strane sonde i držač za ispitne uzorke s druge strane (jedna od utičnica držača može uključivati ​​terminal za vodič za pouzdanije fiksiranje ovaj dirigent). Dajte vodiču ravan oblik.

3.2. Ponovite točke 1.3 - 1.5.

3.3. Odrediti ovisnost magnetske indukcije o jakosti struje u vodiču. Izmjerene podatke unesite u tablicu 5.

Tablica 5. Ovisnost magnetske indukcije koju stvara ravni vodič o jakosti struje u njemu

4. Određivanje parametara proučavanih objekata

4.1. Odredite (ako je potrebno, izmjerite) i unesite u tablicu 6 podatke potrebne za izračune: N do je broj zavoja kratkog svitka, R je njegov polumjer; N s je broj zavoja solenoida, l- njegova dužina, L- njegova induktivnost (označena na solenoidu), d je njegov promjer.

Tablica 6 Parametri proučavanih uzoraka

N Do R N S d l L

Obrada rezultata

1. Koristeći formulu (10), izračunajte magnetsku indukciju koju stvara kratki svitak sa strujom. Podatke unesite u tablice 1 i 2. Na temelju podataka u tablici 1 konstruirajte teorijske i eksperimentalne ovisnosti magnetske indukcije na osi kratke zavojnice od udaljenosti z do središta zavojnice. Teorijske i eksperimentalne ovisnosti ucrtane su u istim koordinatnim osi.

2. Na temelju podataka u tablici 2. nacrtajte teorijske i eksperimentalne ovisnosti magnetske indukcije u središtu kratkog svitka o jakosti struje u njemu. Teorijske i eksperimentalne ovisnosti ucrtane su u istim koordinatnim osi. Izračunajte snagu magnetskog polja u središtu zavojnice sa jakošću struje od 5 A u njoj pomoću formule (10).

3. Koristeći formulu (12), izračunajte magnetsku indukciju koju stvara solenoid. Podatke unesite u tablice 3 i 4. Prema tablici 3 izgradite teorijske i eksperimentalne ovisnosti magnetske indukcije na osi solenoida od udaljenosti z do njegova središta. Teorijske i eksperimentalne ovisnosti ucrtane su u istim koordinatnim osi.

4. Na temelju podataka u tablici 4. izgraditi teorijske i eksperimentalne ovisnosti magnetske indukcije u središtu solenoida o jakosti struje u njemu. Teorijske i eksperimentalne ovisnosti ucrtane su u istim koordinatnim osi. Izračunajte jakost magnetskog polja u središtu solenoida sa jakošću struje od 5 A u njemu.

5. Prema tablici 5. konstruirajte eksperimentalnu ovisnost magnetske indukcije koju stvara vodič o jakosti struje u njemu.

6. Na temelju formule (5) odredite najkraću udaljenost r o od senzora do vodiča sa strujom (ova udaljenost određena je debljinom izolacije vodiča i debljinom izolacije senzora u sondi). Rezultate izračuna unesite u tablicu 5. Izračunajte aritmetičku sredinu r o , usporediti s vizualno promatranom vrijednošću.

7. Izračunajte induktivitet solenoida L. Rezultate izračuna unesite u tablicu 4. Usporedite dobivenu prosječnu vrijednost L s fiksnom vrijednošću induktiviteta u tablici 6. Za izračun koristite formulu gdje Y- protočna veza, Y = N sa BS, gdje V- magnetska indukcija u solenoidu (prema tablici 4), S=str d 2/4 je površina poprečnog presjeka solenoida.

Kontrolna pitanja

1. Što je Biot-Savart-Laplaceov zakon i kako ga primijeniti pri izračunavanju magnetskih polja vodiča sa strujom?

2. Kako se određuje smjer vektora H u zakonu Biot-Savart-Laplace?

3. Kako su vektori magnetske indukcije međusobno povezani B i napetost H između sebe? Koje su njihove mjerne jedinice?

4. Kako se Biot-Savart-Laplaceov zakon koristi u proračunu magnetskih polja?

5. Kako se mjeri magnetsko polje u ovom radu? Na kojem se fizičkom fenomenu temelji princip mjerenja magnetskog polja?

6. Definirajte induktivitet, magnetski tok, vezu toka. Navedite mjerne jedinice za te veličine.

bibliografski popis

edukativna literatura

1. Kalašnjikov N.P. Osnove fizike. M.: Drfa, 2004. Vol. 1

2. Saveliev I.V.. Tečaj fizike. M.: Nauka, 1998. T. 2.

3. Detlaf A.A.,Yavorsky B.M. Tečaj fizike. Moskva: Viša škola, 2000.

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

5. Yavorsky B.M.,Detlaf A.A. Priručnik za fiziku. M.: Nauka, 1998.

Nastavljamo proučavati pitanja elektromagnetskih pojava. A u današnjoj lekciji razmatrat ćemo magnetsko polje zavojnice sa strujom i elektromagneta.

Najveći praktični interes je magnetsko polje zavojnice sa strujom. Da biste dobili zavojnicu, morate uzeti izolirani vodič i namotati ga oko okvira. Takav svitak sadrži veliki broj zavoja žice. Napomena: ove žice su namotane na plastični okvir i ova žica ima dva vodiča (slika 1).

Riža. 1. Zavojnica

Proučavanje magnetskog polja zavojnice provela su dva poznata znanstvenika: André-Marie Ampère i Francois Arago. Otkrili su da je magnetsko polje zavojnice potpuno isto kao i magnetsko polje trajnog magneta (slika 2).

Riža. 2. Magnetno polje zavojnice i trajnog magneta

Zašto magnetske linije zavojnice izgledaju ovako

Ako kroz ravni vodič teče istosmjerna struja, oko njega nastaje magnetsko polje. Smjer magnetskog polja može se odrediti "pravilom gimleta" (slika 3).

Riža. 3. Magnetno polje vodiča

Ovaj vodič savijamo u spiralu. Smjer struje ostaje isti, magnetsko polje vodiča također postoji oko vodiča, dodaje se polje različitih presjeka vodiča. Unutar zavojnice, magnetsko polje će biti koncentrirano. Kao rezultat dobivamo sljedeću sliku magnetskog polja zavojnice (slika 4).

Riža. 4. Magnetno polje zavojnice

Oko zavojnice koja vodi struju postoji magnetsko polje. Njega se, kao i polje izravnog vodiča, može otkriti pomoću piljevine (slika 5.). Zatvorene su i linije magnetskog polja zavojnice sa strujom.

Riža. 5. Položaj metalnih strugotina u blizini strujnog svitka

Ako je zavojnica sa strujom obješena na tanke i fleksibilne vodiče, tada će se postaviti na isti način kao i magnetska igla kompasa. Jedan kraj zavojnice će biti okrenut prema sjeveru, a drugi prema jugu. To znači da zavojnica sa strujom, poput magnetske igle, ima dva pola – sjeverni i južni (slika 6.).

Riža. 6. Polovi zavojnice

Na električnim dijagramima zavojnica je prikazana na sljedeći način:

Riža. 7. Oznaka zavojnice na dijagramima

Zavojnice sa strujom se široko koriste u tehnologiji kao magneti. Prikladni su po tome što njihovo magnetsko djelovanje može varirati u širokom rasponu.

Magnetsko polje zavojnice je veliko u usporedbi s magnetskim poljem vodiča (za istu jakost struje).

Kad struja prođe kroz zavojnicu, oko nje se formira magnetsko polje. Što više struje teče kroz zavojnicu, to će biti jače magnetsko polje.

Može se fiksirati magnetskom iglom ili metalnim strugotinama.
Također, magnetsko polje zavojnice ovisi o broju zavoja. Magnetno polje svitka sa strujom je jače što je veći broj zavoja u njemu. Odnosno, možemo podesiti polje zavojnice mijenjajući broj njegovih zavoja ili električnu struju koja teče kroz zavojnicu.

Ali najzanimljivije je bilo otkriće engleskog inženjera Sturgeona. Pokazao je sljedeće: znanstvenik je uzeo i stavio zavojnicu na željeznu jezgru. Stvar je u tome da se, propuštanjem električne struje kroz zavoje ovih zavojnica, magnetsko polje povećalo mnogo puta - i svi željezni predmeti koji su se nalazili u blizini počeli su se privlačiti ovom uređaju (slika 8). Ovaj uređaj se zove "elektromagnet".

Riža. 8. Elektromagnet

Kad su pomislili napraviti željeznu kuku i pričvrstiti je na ovu napravu, dobili su priliku vući razne terete. Dakle, što je elektromagnet?

Definicija

Elektromagnet- ovo je zavojnica s velikim brojem zavoja namota, stavljena na željeznu jezgru, koja stječe svojstva magneta kada električna struja prolazi kroz namot.

Elektromagnet na dijagramu označen je kao zavojnica, a na vrhu se nalazi vodoravna linija (slika 9). Ova linija predstavlja željeznu jezgru.

Riža. 9. Oznaka elektromagneta

Kada smo proučavali električne pojave, rekli smo da električna struja ima različita svojstva, uključujući i magnetska. A jedan od eksperimenata o kojem smo raspravljali bio je povezan s činjenicom da uzmemo žicu spojenu na izvor struje, namotamo je oko željeznog čavala i promatramo kako se razni željezni predmeti počinju privlačiti na taj čavao (slika 10.). Ovo je najjednostavniji elektromagnet. A sada razumijemo da nam najjednostavniji elektromagnet pruža tok struje u zavojnici, veliki broj zavoja i, naravno, metalna jezgra.

Riža. 10. Najjednostavniji elektromagnet

Danas su elektromagneti vrlo rašireni. Elektromagneti rade gotovo svugdje i svugdje. Na primjer, ako trebamo vući dovoljno velike terete, koristimo elektromagnete. I podešavanjem jačine struje, mi ćemo, sukladno tome, ili povećati ili smanjiti snagu. Drugi primjer korištenja elektromagneta je električno zvono.

Otvaranje i zatvaranje vrata i kočnice nekih vozila (primjerice tramvaja) također osiguravaju elektromagneti.

Bibliografija

  1. Gendenstein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. Fizika 8 / Ur. Orlova V.A., Roizena I.I. - M.: Mnemozina.
  2. Peryshkin A.V. Fizika 8. - M.: Drfa, 2010.
  3. Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Fizika 8. - M.: Prosvjeta.
  1. Internetski portal "site" ()
  2. Internetski portal "site" ()
  3. Internetski portal "class-fizika.narod.ru" ()

Domaća zadaća

  1. Što je zavojnica?
  2. Ima li neka zavojnica magnetsko polje?
  3. Opišite najjednostavniji elektromagnet.

Logično bi bilo govoriti o još jednom predstavniku pasivnih radio elemenata - induktorima. Ali priču o njima morat će krenuti izdaleka, sjetite se postojanja magnetskog polja, jer to je magnetsko polje koje okružuje i prožima zavojnice, upravo u magnetskom polju, najčešće promjenjivom, zavojnice rade. Ukratko, ovo je njihovo stanište.

Magnetizam kao svojstvo materije

Magnetizam je jedno od najvažnijih svojstava materije, baš kao, na primjer, masa ili električno polje. Fenomeni magnetizma, međutim, kao i elektriciteta, poznati su od davnina, ali tadašnja znanost nije mogla objasniti bit tih pojava. Neshvatljiv fenomen nazvan je "magnetizam" po imenu grada Magnezije, koji je nekoć bio u Maloj Aziji. Iz rude iskopane u blizini dobiveni su trajni magneti.

Ali trajni magneti nisu posebno zanimljivi u okviru ovog članka. Budući da je obećano da će se govoriti o induktorima, onda ćemo najvjerojatnije govoriti o elektromagnetizmu, jer daleko je od tajne da postoji magnetsko polje čak i oko žice sa strujom.

U suvremenim uvjetima prilično je lako proučavati fenomen magnetizma na početnoj razini, barem barem. Da biste to učinili, morate sastaviti najjednostavniji električni krug iz baterije i žarulje za svjetiljku. Kao indikator magnetskog polja, njegovog smjera i intenziteta može se koristiti obični kompas.

DC magnetsko polje

Kao što znate, kompas pokazuje smjer prema sjeveru. Ako u blizini postavite žice najjednostavnijeg gore spomenutog kruga i upalite žarulju, tada će igla kompasa donekle odstupiti od svog normalnog položaja.

Spajanjem druge žarulje paralelno, možete udvostručiti struju u krugu, što će malo povećati kut rotacije strelice. To sugerira da je magnetsko polje žice koja nosi struju postalo veće. Na tom principu rade pokazivački mjerni instrumenti.

Ako je polaritet baterije obrnut, tada će igla kompasa okrenuti i drugi kraj - promijenio se i smjer magnetskog polja u žicama. Kada se strujni krug isključi, igla kompasa će se vratiti u svoj pravi položaj. U zavojnici nema struje, a nema ni magnetskog polja.

U svim tim pokusima kompas igra ulogu ispitne magnetske igle, kao što se proučavanje stalnog električnog polja izvodi ispitnim električnim nabojem.

Na temelju tako jednostavnih pokusa može se zaključiti da magnetizam nastaje zbog električne struje: što je ta struja jača, to su jača magnetska svojstva vodiča. A odakle onda magnetsko polje trajnih magneta, jer nitko na njih nije spojio bateriju žicama?

Fundamentalna znanstvena istraživanja dokazala su da se permanentni magnetizam temelji i na električnim pojavama: svaki elektron nalazi se u vlastitom električnom polju i ima elementarna magnetska svojstva. Samo su u većini tvari ta svojstva međusobno neutralizirana, a kod nekih se iz nekog razloga zbrajaju u jedan veliki magnet.

Naravno, u stvarnosti sve nije tako primitivno i jednostavno, ali općenito, čak i trajni magneti imaju svoja prekrasna svojstva zbog kretanja električnih naboja.

Što su magnetske linije?

Magnetne linije se mogu vidjeti vizualno. U školskom eksperimentu u nastavi fizike, za to se metalne strugotine izliju na list kartona, a ispod se postavlja trajni magnet. Laganim kuckanjem po listu kartona možete postići sliku prikazanu na slici 1.

Slika 1.

Lako je vidjeti da magnetske linije sile izlaze iz sjevernog pola i ulaze u južni bez prekida. Naravno, može se reći da, naprotiv, od juga prema sjeveru, ali tako je prihvaćeno, dakle, od sjevera prema jugu. Na isti način kao što su nekad uzeli smjer struje od plusa do minusa.

Ako se umjesto trajnog magneta kroz karton provuče žica sa strujom, tada će metalne strugotine pokazati to, vodič, magnetsko polje. Ovo magnetsko polje ima oblik koncentričnih kružnih linija.

Za proučavanje magnetskog polja možete bez piljevine. Dovoljno je pomaknuti ispitnu magnetsku iglu oko vodiča kroz koji teče struja da se vidi da su magnetske linije sile doista zatvorene koncentrične kružnice. Pomaknemo li ispitnu strelicu u smjeru u kojem ju magnetsko polje odbija, onda ćemo se sigurno vratiti na istu točku iz koje smo se krenuli. Slično, kao hodanje po Zemlji: ako idete bilo gdje bez skretanja, tada ćete prije ili kasnije doći na isto mjesto.

Slika 2.

Smjer magnetskog polja vodiča sa strujom određen je pravilom gimleta, alata za bušenje rupa u stablu. Ovdje je sve vrlo jednostavno: gimlet se mora zakrenuti tako da se njegovo translacijsko kretanje podudara sa smjerom struje u žici, tada će smjer rotacije ručke pokazati kamo je usmjereno magnetsko polje.

Slika 3

“Struja dolazi od nas” - križ u sredini kruga je perje strijele koja leti izvan ravnine slike, a tamo gdje “Struja dolazi do nas” prikazan je vrh strelice kako leti iza ravnine lima . Barem je takvo objašnjenje ovih oznaka dano na satovima fizike u školi.

Slika 4

Ako primijenimo pravilo gimleta na svaki vodič, tada određivanjem smjera magnetskog polja u svakom vodiču možemo s povjerenjem reći da se vodiči s istim smjerom struje privlače, a njihova se magnetska polja zbrajaju. Vodiči sa strujama različitih smjerova međusobno se odbijaju, njihovo magnetsko polje se kompenzira.

Induktor

Ako je vodič sa strujom izrađen u obliku prstena (zavojnice), tada ima svoje magnetske polove, sjeverni i južni. Ali magnetsko polje jednog okreta, u pravilu, je malo. Puno bolji rezultati mogu se postići namotavanjem žice u obliku svitka. Takav dio naziva se induktor ili jednostavno induktivitet. U ovom slučaju, magnetska polja pojedinih zavoja se zbrajaju, međusobno se pojačavajući.

Slika 5

Slika 5 pokazuje kako se može dobiti zbroj magnetskih polja zavojnice. Čini se da se svaki zavoj može napajati iz vlastitog izvora, kao što je prikazano na sl. 5.2, ali je lakše spojiti zavoje u seriji (samo vjetar s jednom žicom).

Sasvim je očito da što više zavoja ima zavojnica, to je jače njeno magnetsko polje. Magnetno polje također ovisi o struji kroz zavojnicu. Stoga je sasvim legitimno procijeniti sposobnost zavojnice da stvori magnetsko polje jednostavnim množenjem struje kroz zavojnicu (A) s brojem zavoja (W). Ova vrijednost se naziva amper - zavoji.

jezgreni svitak

Magnetsko polje koje stvara zavojnica može se značajno povećati ako se u zavojnicu umetne jezgra od feromagnetskog materijala. Slika 6 prikazuje tablicu s relativnom magnetskom propusnošću raznih tvari.

Na primjer, transformatorski čelik učinit će magnetsko polje oko 7..7,5 tisuća puta jačim nego u odsutnosti jezgre. Drugim riječima, unutar jezgre magnetsko polje će zarotirati magnetsku iglu 7000 puta jače (ovo se može zamisliti samo mentalno).

Slika 6

Paramagnetske i dijamagnetske tvari nalaze se na vrhu tablice. Relativna magnetska permeabilnost µ je relativna u odnosu na vakuum. Stoga paramagnetske tvari neznatno povećavaju magnetsko polje, dok ga dijamagnetske tvari blago slabe. Općenito, ove tvari nemaju poseban učinak na magnetsko polje. Iako se na visokim frekvencijama ponekad koriste mjedene ili aluminijske jezgre za podešavanje sklopova.

Na dnu tablice nalaze se feromagnetne tvari, koje jako pojačavaju magnetsko polje zavojnice strujom. Tako će, na primjer, jezgra od transformatorskog čelika učiniti magnetsko polje jačim točno 7500 puta.

Što i kako mjeriti magnetsko polje

Kada su bile potrebne jedinice za mjerenje električnih veličina, naboj elektrona je uzet kao standard. Od naboja elektrona nastala je vrlo stvarna, pa čak i opipljiva jedinica - privjesak, a na temelju toga sve se pokazalo jednostavnim: amper, volt, ohm, džul, vat, farad.

A što se može uzeti kao polazište za mjerenje magnetskih polja? Vrlo je problematično na neki način vezati elektron za magnetsko polje. Stoga je kao mjerna jedinica u magnetizmu usvojen vodič kroz koji teče istosmjerna struja od 1 A.

Glavna takva karakteristika je napetost (H). Pokazuje kojom silom magnetsko polje djeluje na gore spomenuti ispitni vodič, ako se to događa u vakuumu. Vakuum je namijenjen isključivanju utjecaja okoline, stoga se ova karakteristika - napetost smatra apsolutno čistom. Jedinica za napetost je amper po metru (a/m). Takva napetost pojavljuje se na udaljenosti od 16 cm od vodiča, kroz koji teče struja od 1A.

Jačina polja govori samo o teorijskoj sposobnosti magnetskog polja. Prava sposobnost djelovanja odražava se drugom vrijednošću magnetske indukcije (B). Ona je ta koja pokazuje stvarnu silu kojom magnetsko polje djeluje na vodič sa strujom od 1A.

Slika 7

Ako struja od 1A teče u vodiču duljine 1m, a isti se istisne (privlači) silom od 1N (102G), onda kažu da je veličina magnetske indukcije u ovoj točki točno 1 Tesla.

Magnetska indukcija je vektorska veličina, osim numeričke vrijednosti, ima i smjer, koji se uvijek poklapa sa smjerom ispitne magnetske igle u ispitivanom magnetskom polju.

Slika 8

Jedinica magnetske indukcije je tesla (TL), iako se u praksi često koristi manja Gausova jedinica: 1TL = 10.000 Gausa. Je li to puno ili malo? Magnetno polje u blizini snažnog magneta može doseći nekoliko T, u blizini magnetske igle kompasa ne više od 100 gausa, Zemljino magnetsko polje blizu površine je oko 0,01 gausa i čak niže.

Vektor magnetske indukcije B karakterizira magnetsko polje samo u jednoj točki u prostoru. Za procjenu djelovanja magnetskog polja u određenom prostoru uvodi se i pojam kao što je magnetski tok (Φ).

Zapravo, on predstavlja broj linija magnetske indukcije koje prolaze kroz dati prostor, kroz neko područje: Φ=B*S*cosα. Ova slika se može predstaviti kao kapi kiše: jedna linija je jedna kap (B), a sve zajedno je magnetski tok Φ. Tako se magnetske linije sile pojedinih zavoja zavojnice spajaju u zajednički tok.

Slika 9

U SI sustavu, Weber (Wb) se uzima kao jedinica magnetskog toka, takav tok nastaje kada indukcija od 1 T djeluje na površinu od 1 m².

Magnetski tok u raznim uređajima (motori, transformatori itd.), u pravilu, prolazi kroz određeni put, koji se naziva magnetski krug ili jednostavno magnetski krug. Ako je magnetski krug zatvoren (jezgra prstenastog transformatora), tada je njegov otpor mali, magnetski tok prolazi nesmetano, koncentriran unutar jezgre. Na slici ispod prikazani su primjeri zavojnica sa zatvorenim i otvorenim magnetskim krugovima.

Slika 10.

Ali jezgra se može piliti i iz nje se može izvući komad, kako bi se napravio magnetski razmak. To će povećati ukupni magnetski otpor kruga, dakle, smanjiti magnetski tok, a općenito će se smanjiti indukcija u cijeloj jezgri. To je isto kao i serijski lemljenje velikog otpora u električnom krugu.

Slika 11.

Ako je nastali razmak blokiran komadom čelika, ispada da je dodatni dio s nižim magnetskim otporom spojen paralelno s prazninom, što će vratiti poremećeni magnetski tok. Ovo je vrlo slično šantu u električnim krugovima. Inače, postoji i zakon za magnetski krug, koji se zove Ohmov zakon za magnetski krug.

Slika 12.

Glavni dio magnetskog toka proći će kroz magnetski šant. Upravo se ovaj fenomen koristi u magnetskom snimanju audio ili video signala: feromagnetski sloj vrpce premošćuje prazninu u jezgri magnetskih glava, a cijeli magnetski tok se zatvara kroz traku.

Smjer magnetskog toka koji stvara zavojnica može se odrediti pomoću pravila desne ruke: ako četiri ispružena prsta pokazuju smjer struje u zavojnici, tada će palac pokazati smjer magnetskih linija, kao što je prikazano na slici 13.

Slika 13.

Općenito je prihvaćeno da magnetske linije napuštaju sjeverni pol i ulaze u južni. Stoga palac u ovom slučaju označava mjesto južnog pola. Da biste provjerili je li to tako, možete ponovno koristiti iglu kompasa.

Kako radi električni motor

Poznato je da električna energija može stvarati svjetlost i toplinu, sudjelovati u elektrokemijskim procesima. Nakon upoznavanja s osnovama magnetizma, možete razgovarati o tome kako rade električni motori.

Elektromotori mogu biti vrlo različitog dizajna, snage i principa rada: na primjer, istosmjerna i izmjenična struja, koračni ili kolektorski. Ali uz svu raznolikost dizajna, princip rada temelji se na interakciji magnetskih polja rotora i statora.

Da bi se dobila ova magnetska polja, struja se propušta kroz namote. Što je struja veća i što je veća magnetska indukcija vanjskog magnetskog polja, to je motor snažniji. Za pojačavanje ovog polja koriste se magnetski krugovi, zbog čega u elektromotorima ima toliko čeličnih dijelova. Neki modeli istosmjernih motora koriste trajne magnete.

Slika 14.

Ovdje je, može se reći, sve jasno i jednostavno: prošli smo struju kroz žicu, dobili smo magnetsko polje. Interakcija s drugim magnetskim poljem pokreće ovaj vodič, pa čak i obavlja mehanički rad.

Smjer rotacije može se odrediti pravilom lijeve ruke. Ako četiri ispružena prsta pokazuju smjer struje u vodiču, a magnetske linije ulaze u dlan, tada će savijeni palac pokazati smjer istiskivanja vodiča u magnetskom polju.

Pokretni električni naboj stvara magnetsko polje u okolnom prostoru. Protok elektrona koji prolazi kroz vodič stvara magnetsko polje oko vodiča. Ako je metalna žica namotana u prstenove na šipku, tada će se dobiti zavojnica. Ispada da magnetsko polje koje stvara takva zavojnica ima zanimljiva i, što je najvažnije, korisna svojstva.

Zašto nastaje magnetsko polje

Magnetska svojstva određenih tvari, koja omogućuju privlačenje metalnih predmeta, poznata su od davnina. Ali tek početkom 19. stoljeća bilo je moguće približiti se razumijevanju suštine ovog fenomena. Po analogiji s električnim nabojima, bilo je pokušaja da se magnetski učinci objasne uz pomoć određenih magnetskih naboja (dipola). 1820. danski fizičar Hans Oersted otkrio je da se magnetska igla skreće kada električna struja prođe kroz vodič blizu nje.

U isto vrijeme, francuski istraživač André Ampère otkrio je da dva paralelna vodiča jedan s drugim uzrokuju međusobno privlačenje kada se kroz njih provuče električna struja u jednom smjeru i odbijanje ako su struje usmjerene u različitim smjerovima.

Riža. 1. Amperovo iskustvo sa strujnim žicama. Igla kompasa u blizini žice sa strujom

Na temelju ovih zapažanja, Ampère je zaključio da se interakcija struje sa strijelom, privlačenje (i odbijanje) žica i trajnih magneta među sobom mogu objasniti ako pretpostavimo da magnetsko polje nastaje pomicanjem električnih naboja. Dodatno, Ampere je iznio hrabru hipotezu prema kojoj unutar tvari postoje neprigušene molekularne struje koje su uzrok pojave stalnog magnetskog polja. Tada se sve magnetske pojave mogu objasniti interakcijom pokretnih električnih naboja, a posebni magnetski naboji ne postoje.

Matematički model (teoriju), uz pomoć kojeg je postalo moguće izračunati veličinu magnetskog polja i snagu interakcije, razvio je engleski fizičar James Maxwell. Iz Maxwellovih jednadžbi, koje su kombinirale električne i magnetske fenomene, slijedi da:

  • Magnetsko polje nastaje samo kao rezultat kretanja električnih naboja;
  • U prirodnim magnetskim tijelima postoji konstantno magnetsko polje, ali u ovom slučaju uzrok polja je kontinuirano kretanje molekularnih struja (vrtloga) u masi tvari;
  • Magnetno polje se također može stvoriti pomoću izmjeničnog električnog polja, ali o ovoj temi ćemo raspravljati u našim sljedećim člancima.

Magnetsko polje zavojnice sa strujom

Metalna žica namotana u prstenove na bilo koju cilindričnu šipku (drvenu, plastičnu, itd.) je elektromagnetska zavojnica. Žica mora biti izolirana, odnosno prekrivena nekom vrstom izolatora (lak ili plastična pletenica) kako bi se izbjeglo kratko spajanje susjednih zavoja. Kao rezultat protoka struje, magnetska polja svih zavoja se zbrajaju i ispada da je ukupno magnetsko polje zavojnice sa strujom identično (potpuno slično) magnetskom polju trajnog magneta.

Riža. 2. Magnetno polje zavojnice i trajnog magneta.

Unutar zavojnice, magnetsko polje će biti jednolično, kao u stalnom magnetu. S vanjske strane, linije magnetskog polja strujnog svitka mogu se detektirati pomoću finih metalnih strugotina. Linije magnetskog polja su zatvorene. Po analogiji s magnetskom iglom kompasa, zavojnica sa strujom ima dva pola - južni i sjeverni. Linije sile izlaze sa sjevernog pola i završavaju na južnom.

Za zavojnice sa strujom postoje dodatni, zasebni nazivi koji se koriste ovisno o primjeni:

  • Induktor, ili jednostavno - induktivnost. Izraz se koristi u radiotehnici;
  • gas(throssel - regulator, limiter). Koristi se u elektrotehnici;
  • Solenoid. Ova složenica dolazi od dvije grčke riječi: solen - kanal, cijev i eidos - slično). Ovo je naziv posebnih zavojnica s jezgrama od posebnih magnetskih legura (feromagneti), koji se koriste kao elektromehanički mehanizmi. Na primjer, u starterima automobila, relej uvlakača je solenoid.

Riža. 3. Induktori, prigušnica, solenoid

Energija magnetskog polja

U zavojnici sa strujom energija se pohranjuje iz izvora napajanja (baterije, akumulatora), koji je veći, što je veća struja I i vrijednost L koja se naziva induktivitet. Energija magnetskog polja zavojnice sa strujom W izračunava se pomoću formule:

$$ W = (( L*I^2)\preko 2 ) $$

Ova formula nalikuje formuli za kinetičku energiju tijela. Induktivitet je sličan masi tijela, a struja slična brzini tijela. Magnetska energija je proporcionalna kvadratu struje, kao što je kinetička energija proporcionalna kvadratu brzine.

Za izračunavanje vrijednosti induktivnosti zavojnice postoji sljedeća formula:

$$ L = μ *((N^2*S)\preko l_k) $$

N je broj zavoja zavojnice;

S je površina poprečnog presjeka zavojnice;

l do - duljina zavojnice;

μ - magnetska propusnost materijala jezgre - referentna vrijednost. Jezgra je metalna šipka smještena unutar zavojnice. Omogućuje vam značajno povećanje veličine magnetskog polja.

Što smo naučili?

Dakle, saznali smo da magnetsko polje nastaje samo kao rezultat kretanja električnih naboja. Magnetsko polje zavojnice sa strujom slično je magnetskom polju trajnog magneta. Energija magnetskog polja zavojnice može se izračunati poznavanjem jakosti struje I i induktiviteta L.

Tematski kviz

Procjena izvješća

Prosječna ocjena: 4 . Ukupno primljenih ocjena: 52.

Ako se ravan vodič presavije u krug, tada se može istražiti magnetsko polje kružne struje.
Izvodimo pokus (1). Provucite žicu u obliku kruga kroz karton. Postavimo nekoliko slobodnih magnetskih strelica na površinu kartona na raznim točkama. Uključite struju i vidite da magnetske strelice u središtu zavojnice pokazuju isti smjer, a izvan zavojnice s obje strane u drugom smjeru.
Sada ponovimo pokus (2) mijenjajući polove, a time i smjer struje. Vidimo da su magnetske strelice promijenile smjer na cijeloj površini kartona za 180 stupnjeva.
Zaključujemo: magnetske linije kružne struje također ovise o smjeru struje u vodiču.
Provedimo pokus 3. Uklonimo magnetske strelice, uključimo električnu struju i pažljivo izlijmo sitne željezne strugotine po cijeloj površini kartona. Kako, u ovom slučaju, odrediti smjer linija magnetskog polja? Opet primjenjujemo pravilo gimleta, ali kao primijenjeno na kružnu struju. Ako je smjer rotacije ručke gimlet-a usklađen sa smjerom struje u kružnom vodiču, tada će se smjer translacijskog gibanja gimleta podudarati sa smjerom magnetskih linija sile.
Razmotrimo nekoliko slučajeva.
1. Ravnina zavojnice leži u ravnini lima, struja kroz zavojnicu ide u smjeru kazaljke na satu. Rotacijom zavojnice u smjeru kazaljke na satu utvrđujemo da su magnetske linije sile u središtu zavojnice usmjerene unutar zavojnice “daleko od nas”. To je konvencionalno označeno znakom "+" (plus). Oni. u središte zavojnice stavljamo "+"
2. Ravnina zavojnice leži u ravnini lima, struja kroz zavojnicu ide suprotno od kazaljke na satu. Rotacijom zavojnice u smjeru suprotnom od kazaljke na satu utvrđujemo da magnetske linije sile izlaze iz središta zavojnice "prema nama". To se konvencionalno označava s "∙" (točka). Oni. u središtu zavojnice moramo staviti točku ("∙").
Ako se ravan vodič namota oko cilindra, tada će se dobiti zavojnica sa strujom, odnosno solenoid.
Napravimo pokus (4.) Za pokus koristimo isti sklop, samo što je žica sada provučena kroz karton u obliku svitka. Postavimo nekoliko slobodnih magnetskih strelica na ravninu kartona na različitim točkama: na oba kraja zavojnice, unutar zavojnice i s obje strane izvana. Neka zavojnica bude postavljena vodoravno (smjer slijeva nadesno). Uključite strujni krug i otkrijte da magnetske igle smještene duž osi zavojnice pokazuju jedan smjer. Napominjemo da na desnom kraju zavojnice strelica pokazuje da linije sile ulaze u zavojnicu, što znači da je ovo „južni pol“ (S), a na lijevom kraju magnetska igla pokazuje da izlaze , ovo je “sjeverni pol” (N). Izvan zavojnice, magnetske igle imaju suprotan smjer u odnosu na smjer unutar zavojnice.
Izvodimo pokus (5). U istom krugu promijenite smjer struje. Nalazimo da se smjer svih magnetskih strelica promijenio, okrenule su se za 180 stupnjeva. Zaključujemo: smjer linija magnetskog polja ovisi o smjeru struje kroz zavoje zavojnice.
Izvodimo pokus (6). Uklonite magnetske strelice i uključite krug. Pažljivo "posolite željeznim piljevinama" karton unutar i izvan koluta. Dobivamo sliku linija magnetskog polja, koja se naziva "spektar magnetskog polja zavojnice sa strujom"
Ali kako odrediti smjer linija magnetskog polja? Smjer linija magnetskog polja određen je pravilom gimleta na isti način kao i za zavojnicu sa strujom: ako je smjer rotacije ručke gimleta usklađen sa smjerom struje u zavojnicama, tada je smjer translacije gibanje će se podudarati sa smjerom linija magnetskog polja unutar solenoida. Magnetsko polje solenoida slično je polju trajnog šipkastog magneta. Kraj svitka iz kojeg izlaze linije sile bit će "sjeverni pol" (N), a onaj u koji ulaze linije sile bit će "južni pol" (S).
Nakon otkrića Hansa Oersteda, mnogi znanstvenici počeli su ponavljati njegove eksperimente, izmišljajući nove kako bi pronašli dokaze o povezanosti elektriciteta i magnetizma. Francuski znanstvenik Dominique Arago stavio je željeznu šipku u staklenu cijev i preko nje namotao bakrenu žicu kroz koju je propuštao električnu struju. Čim je Arago zatvorio električni krug, željezna šipka je postala toliko jako magnetizirana da je privukla željezne ključeve na sebe. Trebalo je puno truda da se izvuku ključevi. Kada je Arago isključio izvor napajanja, ključevi su otpali sami! Tako je Arago izumio prvi elektromagnet. Moderni elektromagneti sastoje se od tri dijela: namota, jezgre i armature. Žice su postavljene u poseban omotač, koji igra ulogu izolatora. Višeslojni svitak je namotan žicom - namotom elektromagneta. Kao jezgra se koristi čelična šipka. Ploča koja je privučena jezgrom naziva se sidro. Elektromagneti se široko koriste u industriji zbog svojih svojstava: brzo se demagnetiziraju kada se struja isključi; mogu se izraditi u raznim veličinama ovisno o namjeni; Promjenom struje može se kontrolirati magnetsko djelovanje elektromagneta. Elektromagneti se koriste u tvornicama za nošenje proizvoda od čelika i lijevanog željeza. Ovi magneti imaju veliku moć dizanja. Elektromagneti se također koriste u električnim zvonima, elektromagnetskim separatorima, mikrofonima, telefonima. Danas smo ispitivali magnetsko polje kružne struje, zavojnice sa strujom. Upoznali smo se s elektromagnetima, njihovom primjenom u industriji i nacionalnom gospodarstvu.

mob_info