A tekercs mágneses hatása. Egy tekercs mágneses tere árammal. Mit és hogyan kell mérni a mágneses teret

Egy vezető, amelyen elektromos áram folyik, mágneses teret hoz létre, amelyet az intenzitásvektor jellemez `H(3. ábra). A mágneses térerősség megfelel a szuperpozíció elvének

és a Biot-Savart-Laplace törvény szerint

ahol én az áramerősség a vezetőben, egy olyan vektor, amelynek hossza a vezető elemi szakasza, és az áram irányába van irányítva, `r az elemet a vizsgált ponttal összekötő sugárvektor P.

Az áramvezetők egyik leggyakoribb konfigurációja egy R sugarú gyűrű alakú tekercs (3. ábra, a). Az ilyen áram mágneses tere a szimmetriatengelyen átmenő síkban olyan alakú (lásd 3. ábra, b). A mező egészének forgásszimmetrikusnak kell lennie a z tengely körül (3. ábra, b), maguknak az erővonalaknak pedig szimmetrikusnak kell lenniük a hurok síkjára (a síkra) xy). A vezető közvetlen közelében lévő mező egy hosszú egyenes vezeték közelében lévő mezőhöz fog hasonlítani, mivel a hurok távoli részeinek hatása itt viszonylag kicsi. A köráram tengelyén a mező a tengely mentén irányul Z.

Számítsuk ki a mágneses térerősséget a gyűrű tengelyén a gyűrű síkjától z távolságra lévő pontban. A (6) képlet szerint elegendő a vektor z-komponensét kiszámítani:

. (7)

A teljes gyűrűre integrálva òd-t kapunk l= 2p R. Mivel a Pitagorasz-tétel szerint r 2 = R 2 + z 2, akkor a szükséges mező a tengely egy pontjában az

. (8)

vektor iránya `H a jobb csavar szabálya szerint irányítható.

A gyűrű közepén z= 0 és a (8) képlet leegyszerűsödik:

Érdekel minket a rövid tekercs- egy hengeres huzaltekercs, amely a következőkből áll N azonos sugarú fordulatokat. A tengelyirányú szimmetria miatt és a szuperpozíció elvének megfelelően egy ilyen tekercs mágneses tere a H tengelyen az egyes fordulatok mezőinek algebrai összege Hén: . Így a mágneses mező egy rövid tekercs tartalmazó N fordulatokhoz, a tengely egy tetszőleges pontjában a képletek kiszámítják

, , (10)

ahol H- feszültség, B– mágneses tér indukció.

Mágneses tere árammal

A mágneses tér indukciójának kiszámításához a szolenoidban a mágneses indukciós vektor keringésére vonatkozó tételt használjuk:

, (11)

ahol az áramkör által lefedett áramok algebrai összege L szabad forma, n- az áramkör által lefedett áramú vezetékek száma. Ebben az esetben minden áramot annyiszor veszünk figyelembe, ahányszor az áramkör lefedi, és az áramot pozitívnak tekintjük, amelynek iránya jobb oldali csavarrendszert alkot az áramkör - az áramkör - mentén történő bypass irányával. elem L.

Alkalmazzuk a mágneses indukciós vektor körforgásáról szóló tételt egy hosszúságú mágnesszelepre l amelynek N fordulatokkal árammal én(4. ábra). A számításnál figyelembe vesszük, hogy szinte a teljes mező a mágnesszelep belsejében koncentrálódik (az élhatásokat figyelmen kívül hagyjuk), és homogén. Ekkor a 11-es képlet a következő formában jelenik meg:

,

ahonnan megtaláljuk a mágneses tér indukcióját, amelyet a szolenoidon belüli áram okoz:

Rizs. 4. Mágneses árammal és mágneses mezőjével

Telepítési séma

Rizs. 5 A telepítés sematikus diagramja

1 - mágneses tér indukciós mérő (teslameter), A - ampermérő, 2 - összekötő vezeték, 3 - mérőszonda, 4 - Hall-érzékelő *, 5 - vizsgált tárgy (rövid tekercs, egyenes vezető, mágnesszelep), 6 - áramforrás, 7 - vonalzó az érzékelő helyzetének rögzítésére, 8 - szondatartó.

* - az érzékelő működési elve a Hall-effektus jelenségén alapul (ld. 15. számú labormunka, Hall-effektus tanulmányozása)

Munkarend

1. Rövid tekercs mágneses terének vizsgálata

1.1. Kapcsolja be a készülékeket. A tápegység és a teslameter kapcsolók a hátsó paneleken találhatók.

1.2. Az 5. vizsgált tárgyként (lásd 5. ábra) helyezzen egy rövid tekercset a tartóba, és csatlakoztassa a 6. áramforráshoz.

1.3. Állítsa a 6. forrás feszültségszabályozóját középső helyzetbe. Állítsa az áramerősséget nullára a 6. forrás áramerősség kimenetének beállításával, és szabályozza ampermérővel (az értéknek nullának kell lennie).

1.4. A durva 1 és finomhangoló 2 szabályozók (6. ábra) a teslaméter nulla értékét érik el.

1.5. Szerelje fel a tartót a mérőszondával a vonalzóra a leolvasáshoz kényelmes pozícióba - például a 300 mm-es koordinátán. A jövőben vegye ezt a pozíciót nullának. A beszerelés és a mérések során ügyeljen a szonda és a vonalzó közötti párhuzamosságra.

1.6. Helyezze el a tartót a rövid tekercssel úgy, hogy a Hall-érzékelő 4 a tekercsfordulatok közepén legyen (7. ábra). Ehhez használja a szondatartón lévő rögzítő és magasságállító csavart. A tekercs síkjának merőlegesnek kell lennie a szondára. A mérések előkészítése során mozgassa a tartót a mintával, a mérőszondát mozdulatlanul hagyva.

1.7. Ügyeljen arra, hogy a teslaméter bemelegedési ideje alatt a leolvasott értéke nulla maradjon. Ha ez nem történik meg, állítsa a teslametert nullára nullára a mintában.

1.8. Állítsa a rövid tekercs áramát 5 A-re (a 6. tápegység kimenetének beállításával, Constanter/Netzgerät Universal).

1.9. Mérje meg a mágneses indukciót B exp a tekercs tengelyén a tekercs közepétől való távolságtól függően. Ehhez mozgassa a szondatartót a vonalzó mentén, párhuzamosan az eredeti helyzetével. A negatív z értékek megfelelnek a szonda elmozdulásának a kisebb koordináták területére, mint a kezdeti, és fordítva - a pozitív z értékek - a nagy koordináták területére. Írja be az adatokat az 1. táblázatba.

1. táblázat A rövid tekercs tengelyén lévő mágneses indukció függése a tekercs középpontjától való távolságtól

1.10. Ismételje meg az 1.2-1.7 pontokat.

1.11. Mérje meg a tekercs közepén lévő indukció függését a tekercsen áthaladó áram erősségétől. Írja be az adatokat a 2. táblázatba.

2. táblázat: A rövid tekercs közepén kialakuló mágneses indukció függése a benne lévő áramerősségtől

2. A szolenoid mágneses terének vizsgálata

2.1. Az 5. vizsgált tárgyként helyezze a mágnesszelepet egy állítható magasságú, nem mágneses anyagú fémpadra (8. ábra).

2.2. Ismételje meg az 1.3-1.5.

2.3. Állítsa be a munkapad magasságát úgy, hogy a mérőszonda a mágnesszelep szimmetriatengelye mentén haladjon, és a Hall-érzékelő a mágnesszelep fordulatainak közepén legyen.

2.4. Ismételje meg az 1.7-1.11 lépéseket (rövid tekercs helyett mágnesszelepet használnak). Adja meg az adatokat a 3. és 4. táblázatban Ebben az esetben határozza meg a mágnesszelep középpontjának koordinátáját a következőképpen: szerelje fel a Hall érzékelőt a mágnesszelep elejére, és rögzítse a tartó koordinátáját. Ezután mozgassa a tartót a vonalzó mentén a mágnesszelep tengelye mentén, amíg az érzékelő vége a mágnesszelep másik oldalán nem lesz. Rögzítse a tartó koordinátáját ebben a helyzetben. A mágnesszelep középponti koordinátája egyenlő lesz a két mért koordináta számtani átlagával.

3. táblázat A mágneses indukció szolenoid tengelyétől való függése a középponttól való távolságtól.

2.5. Ismételje meg az 1.3 - 1.7 pontokat.

2.6. Mérje meg a mágnesszelep közepén lévő indukció függését a tekercsen áthaladó áram erősségétől. Írja be az adatokat a 4. táblázatba.

4. táblázat A mágneses indukció függése a mágnesszelep közepén a benne lévő áramerősségtől

3. Egyenáramú vezető mágneses terének vizsgálata

3.1. Az 5. vizsgált tárgyként szereljen fel egy egyenes vezetéket árammal (9. ábra, a). Ehhez kösse össze az ampermérőből és az áramforrásból érkező vezetékeket (rövidre zárja a külső áramkört), és helyezze a vezetőt közvetlenül a 3. szonda szélére a 4. érzékelő közelében, a szondára merőlegesen (9. ábra, b) . A vezeték alátámasztásához használjon állítható magasságú, nem mágneses anyagból készült fémpadot a szonda egyik oldalán, a másik oldalon pedig próbaminták tartót (az egyik tartó aljzat tartalmazhat vezetékkivezetést a megbízhatóbb rögzítés érdekében ez a karmester). Adjon egyenes formát a vezetőnek.

3.2. Ismételje meg az 1.3 - 1.5 pontokat.

3.3. Határozza meg a mágneses indukció függését a vezetőben lévő áramerősségtől! Írja be a mért adatokat az 5. táblázatba.

5. táblázat Az egyenes vezető által létrehozott mágneses indukció függése a benne lévő áramerősségtől

4. A vizsgált objektumok paramétereinek meghatározása

4.1. Határozza meg (szükség esetén mérje meg) és rögzítse a 6. táblázatban a számításokhoz szükséges adatokat: N to a rövid tekercs meneteinek száma, R a sugara; N s a mágnesszelep fordulatainak száma, l- hossza, L- induktivitása (a mágnesszelepen van feltüntetve), d az átmérője.

6. táblázat A vizsgált minták paraméterei

N Nak nek	R	N Val vel	d	l	L

Eredmények feldolgozása

1. A (10) képlet segítségével számítsa ki egy rövid áramú tekercs által létrehozott mágneses indukciót. Írja be az 1. és 2. táblázatba az adatokat. Az 1. táblázat adatai alapján alkossa meg a mágneses indukció elméleti és kísérleti függőségeit egy rövid tekercs tengelyén a z távolságtól a tekercs középpontjáig! Az elméleti és kísérleti függőségek ugyanazon a koordinátatengelyen vannak ábrázolva.

2. Ábrázolja a 2. táblázat adatai alapján a mágneses indukció elméleti és kísérleti függőségét egy rövid tekercs középpontjában a benne lévő áramerősségtől! Az elméleti és kísérleti függőségek ugyanazon a koordinátatengelyen vannak ábrázolva. Számítsa ki a mágneses térerősséget a tekercs közepén 5 A áramerősséggel a (10) képlet segítségével!

3. A (12) képlet segítségével számítsa ki a szolenoid által keltett mágneses indukciót. Írja be az adatokat a 3. és 4. táblázatba. A 3. táblázat szerint ábrázolja a mágneses indukció elméleti és kísérleti függőségeit a mágnesszelep tengelyén a z távolságtól a középpontig! Az elméleti és kísérleti függőségek ugyanazon a koordinátatengelyen vannak ábrázolva.

4. A 4. táblázat adatai alapján építse fel a mágneses indukció elméleti és kísérleti függőségeit a mágnesszelep középpontjában a benne lévő áramerősségre! Az elméleti és kísérleti függőségek ugyanazon a koordinátatengelyen vannak ábrázolva. Számítsd ki a mágneses térerősséget a mágnesszelep közepén 5 A áramerősség mellett!

5. Szerkessze meg a vezető által létrehozott mágneses indukció kísérleti függését az 5. táblázat szerint a benne lévő áramerősségtől!

6. Az (5) képlet alapján határozza meg a legrövidebb távolságot r o az érzékelőtől az áramerősségű vezetőig (ezt a távolságot a vezető szigetelésének vastagsága és a szondában lévő érzékelő szigetelésének vastagsága határozza meg). Írja be a számítás eredményét az 5. táblázatba. Számítsa ki a számtani átlagot! r o , hasonlítsa össze egy vizuálisan megfigyelt értékkel.

7. Számítsa ki a mágnesszelep induktivitását! L. A számítások eredményeit írja be a 4. táblázatba. Hasonlítsa össze a kapott átlagértéket! L a 6. táblázatban rögzített induktivitás értékkel. A kiszámításhoz használja a képletet, ahol Y- áramlási összeköttetés, Y = N BS-sel, ahol V- mágneses indukció a szolenoidban (a 4. táblázat szerint), S=p d 2/4 a mágnesszelep keresztmetszete.

Ellenőrző kérdések

1. Mi a Biot-Savart-Laplace törvény és hogyan kell alkalmazni az áramvezetők mágneses tereinek számításakor?

2. Hogyan határozzuk meg egy vektor irányát H a Biot-Savart-Laplace törvényben?

3. Hogyan kapcsolódnak egymáshoz a mágneses indukció vektorai Bés a feszültség H egymás között? Mik a mértékegységeik?

4. Hogyan alkalmazzák a Biot-Savart-Laplace törvényt a mágneses mezők számításakor?

5. Hogyan történik a mágneses tér mérése ebben a munkában? Milyen fizikai jelenségen alapul a mágneses térmérés elve?

6. Határozza meg az induktivitást, a mágneses fluxust, a fluxuskapcsolatot. Adja meg ezeknek a mennyiségeknek a mértékegységeit.

bibliográfiai lista

oktatási irodalom

1. Kalasnyikov N.P. A fizika alapjai. M.: Túzok, 2004. 1. köt

2. Saveliev I.V.. Fizika tanfolyam. M.: Nauka, 1998. T. 2.

3. Detlaf A.A.,Yavorsky B.M. Fizika tanfolyam. Moszkva: Felsőiskola, 2000.

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

5. Yavorsky B.M.,Detlaf A.A. Fizika kézikönyve. M.: Nauka, 1998.

Továbbra is tanulmányozzuk az elektromágneses jelenségek kérdéskörét. És a mai leckében megvizsgáljuk egy tekercs mágneses mezőjét árammal és elektromágnessel.

A legnagyobb gyakorlati érdeklődés az áramvezető tekercs mágneses tere. A tekercs beszerzéséhez vegyen egy szigetelt vezetőt, és tekerje a keret köré. Egy ilyen tekercs nagyszámú huzalfordulatot tartalmaz. Figyelem: ezek a vezetékek egy műanyag keretre vannak feltekerve, és ennek a vezetéknek két vezetéke van (1. ábra).

Rizs. 1. Tekercs

A tekercs mágneses terének tanulmányozását két híres tudós végezte: André-Marie Ampère és Francois Arago. Azt találták, hogy a tekercs mágneses tere pontosan megegyezik az állandó mágnes mágneses tereével (2. ábra).

Rizs. 2. A tekercs és az állandó mágnes mágneses tere

Miért így néznek ki a tekercs mágneses vonalai?

Ha egyenáram folyik át egy egyenes vezetőn, mágneses tér keletkezik körülötte. A mágneses tér iránya a „gyertyák szabálya” alapján határozható meg (3. ábra).

Rizs. 3. Egy vezető mágneses tere

Ezt a vezetőt spirálban meghajlítjuk. Az áram iránya változatlan marad, a vezető mágneses tere is létezik a vezető körül, hozzáadódik a vezető különböző szakaszainak tere. A tekercs belsejében a mágneses tér koncentrálódik. Ennek eredményeként a következő képet kapjuk a tekercs mágneses teréről (4. ábra).

Rizs. 4. A tekercs mágneses tere

Az áramhordozó tekercs körül mágneses mező van. A közvetlen vezető mezőjéhez hasonlóan fűrészpor segítségével is kimutatható (5. ábra). Az árammal rendelkező tekercs mágneses erővonalai szintén zártak.

Rizs. 5. A fémreszelékek elhelyezkedése az áramtekercs közelében

Ha egy áramerősségű tekercset vékony és rugalmas vezetékekre felfüggesztenek, akkor ugyanúgy kell felszerelni, mint egy mágneses iránytűt. A tekercs egyik vége északra, a másik délre néz. Ez azt jelenti, hogy az árammal rendelkező tekercsnek, mint a mágneses tűnek, két pólusa van - északi és déli (6. ábra).

Rizs. 6. Tekercsoszlopok

Az elektromos diagramokon a tekercs a következőképpen van jelölve:

Rizs. 7. A tekercs jelölése a diagramokon

Az árammal működő tekercseket a technikában széles körben használják mágnesként. Kényelmesek abban, hogy mágneses hatásuk széles tartományban változtatható.

A tekercs mágneses tere nagy a vezető mágneses mezőjéhez képest (azonos áramerősség esetén).

Amikor áramot vezetünk át egy tekercsen, mágneses mező képződik körülötte. Minél több áram folyik át a tekercsen, annál erősebb lesz a mágneses tér.

Mágneses tűvel vagy fémforgáccsal rögzíthető.
Ezenkívül a tekercs mágneses tere a fordulatok számától függ. Az árammal rendelkező tekercs mágneses tere annál erősebb, minél több benne a fordulatok száma. Vagyis a tekercs mezejét a fordulatszámának vagy a tekercsen átfolyó elektromos áram változtatásával tudjuk beállítani.

De a legérdekesebb az angol mérnök, Sturgeon felfedezése volt. A következőket mutatta be: a tudós fogta és rátette a tekercset a vasmagra. A helyzet az, hogy az elektromos áram átvezetésével ezeknek a tekercseknek a menetein a mágneses tér sokszorosára nőtt - és az összes körülötte lévő vastárgy vonzódni kezdett ehhez az eszközhöz (8. ábra). Ezt az eszközt "elektromágnesnek" hívják.

Rizs. 8. Elektromágnes

Amikor arra gondoltak, hogy készítsenek egy vaskampót és rögzítsék ehhez az eszközhöz, lehetőség nyílt különféle terhek vonszolására. Tehát mi az elektromágnes?

Meghatározás

Elektromágnes- ez egy tekercs nagyszámú tekercsfordulattal, vasmagra helyezve, amely akkor szerzi meg a mágnes tulajdonságait, amikor elektromos áram halad át a tekercsen.

Az elektromágnes a diagramon tekercsnek van jelölve, és a tetején egy vízszintes vonal található (9. ábra). Ez a vonal a vasmagot jelöli.

Rizs. 9. Elektromágneses jelölés

Amikor elektromos jelenségeket vizsgáltunk, azt mondtuk, hogy az elektromos áramnak különböző tulajdonságai vannak, beleértve a mágneses tulajdonságokat is. Az egyik megbeszélt kísérlet pedig azzal a ténnyel függött össze, hogy veszünk egy áramforráshoz csatlakoztatott vezetéket, feltekerjük egy vasszögre, és megfigyeljük, hogyan kezdenek vonzódni a különféle vastárgyak ehhez a szeghez (10. ábra). Ez a legegyszerűbb elektromágnes. És most megértjük, hogy a legegyszerűbb elektromágnest a tekercsben lévő áram áramlása, nagyszámú fordulat és természetesen egy fémmag biztosítja számunkra.

Rizs. 10. A legegyszerűbb elektromágnes

Ma az elektromágnesek nagyon elterjedtek. Az elektromágnesek szinte bárhol és mindenhol működnek. Például, ha elég nagy terheket kell húznunk, akkor elektromágneseket használunk. És az áram erősségének beállításával ennek megfelelően növeljük vagy csökkentjük az erősséget. Egy másik példa az elektromágnesek használatára az elektromos harang.

Egyes járművek (pl. villamosok) ajtók nyitását és zárását, fékezését is elektromágnesek biztosítják.

Bibliográfia

1. Gendenstein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. Fizika 8 / Szerk. Orlova V.A., Roizena I.I. - M.: Mnemosyne.
2. Peryshkin A.V. Fizika 8. - M.: Túzok, 2010.
3. Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Fizika 8. - M.: Felvilágosodás.

1. "oldal" internetes portál ()
2. "oldal" internetes portál ()
3. "class-fizika.narod.ru" internetes portál ()

Házi feladat

1. Mi az a tekercs?
2. Valamelyik tekercsnek van mágneses tere?
3. Ismertesse a legegyszerűbb elektromágnest!

Logikus lenne a passzív rádióelemek másik képviselőjéről - induktorokról - beszélni. De a róluk szóló történetet messziről kell kezdeni, emlékezzünk a mágneses tér létezésére, mert a mágneses tér az, ami körülveszi és áthatja a tekercseket, a legtöbbször változó mágneses térben működnek a tekercsek. Röviden, ez az élőhelyük.

A mágnesesség mint az anyag tulajdonsága

A mágnesesség az anyag egyik legfontosabb tulajdonsága, akárcsak például a tömeg vagy az elektromos tér. A mágnesesség jelenségei, valamint az elektromosság azonban régóta ismertek, de az akkori tudomány nem tudta megmagyarázni e jelenségek lényegét. Egy érthetetlen jelenséget neveztek "mágnesességnek" az egykor Kis-Ázsiában található Magnézia városának nevével. A közelben bányászott ércből szereztek állandó mágneseket.

De az állandó mágnesek nem különösebben érdekesek e cikk keretein belül. Mivel azt ígérték, hogy az induktorokról lesz szó, akkor nagy valószínűséggel az elektromágnesességről fogunk beszélni, mert korántsem titok, hogy az árammal ellátott vezeték körül is van mágneses tér.

Modern körülmények között meglehetősen könnyű a mágnesesség jelenségét legalább a kezdeti szinten tanulmányozni. Ehhez össze kell szerelnie a legegyszerűbb elektromos áramkört egy elemből és egy zseblámpa izzójából. Egy közönséges iránytű használható a mágneses mező, irányának és intenzitásának jelzőjeként.

DC mágneses tér

Mint tudják, az iránytű észak felé mutatja az irányt. Ha a közelben helyezi el a fent említett legegyszerűbb áramkör vezetékeit, és felkapcsolja a villanykörtét, akkor az iránytű tűje valamelyest eltér normál helyzetétől.

Egy másik izzó párhuzamos csatlakoztatásával megduplázhatja az áramkör áramát, ami kissé megnöveli a nyíl elfordulási szögét. Ez arra utal, hogy az áramot vezető vezeték mágneses tere nagyobb lett. Ezen az elven működnek a mutatós mérőműszerek.

Ha az akkumulátor polaritása megfordul, akkor az iránytű tűje a másik végét is elfordítja - a vezetékekben a mágneses tér iránya is megváltozott. Amikor az áramkört kikapcsolják, az iránytű tűje visszatér a megfelelő helyzetébe. A tekercsben nincs áram, és nincs mágneses tér sem.

Mindezekben a kísérletekben az iránytű egy tesztmágneses tű szerepét tölti be, ahogyan az állandó elektromos tér vizsgálatát is tesztelektromos töltéssel végzik.

Ilyen egyszerű kísérletek alapján megállapítható, hogy a mágnesesség elektromos áram hatására jön létre: minél erősebb ez az áram, annál erősebbek a vezető mágneses tulajdonságai. És akkor honnan jön az állandó mágnesek mágneses tere, mert senki sem kötött rájuk vezetékes akkumulátort?

A tudományos alapkutatások bebizonyították, hogy az állandó mágnesesség is elektromos jelenségeken alapul: minden elektron a saját elektromos terében van, és elemi mágneses tulajdonságokkal rendelkezik. Csak a legtöbb anyagban ezek a tulajdonságok semlegesítik egymást, és néhányban valamilyen okból összeadódnak egy nagy mágnes.

Természetesen a valóságban nem minden olyan primitív és egyszerű, de általában még az állandó mágneseknek is megvannak a csodálatos tulajdonságai az elektromos töltések mozgása miatt.

Mik azok a mágneses vonalak?

A mágneses vonalak vizuálisan láthatók. A fizika órákon végzett iskolai kísérletben ehhez fémreszeléket öntenek egy kartonlapra, és alá egy állandó mágnest helyeznek el. Egy kartonlap enyhe megérintésével az 1. ábrán látható képet érheti el.

1. kép

Könnyen belátható, hogy a mágneses erővonalak az északi pólusból jönnek ki, és anélkül, hogy megszakadnának, behatolnak a déli irányba. Persze lehet mondani, hogy éppen ellenkezőleg, délről északra, de ez így elfogadott, ezért északról délre. Ugyanúgy, ahogy valamikor pluszból mínuszba vették az áram irányát.

Ha állandó mágnes helyett árammal ellátott vezetéket vezetnek át a kartonon, akkor fémreszelékek mutatják azt, a vezetőt, egy mágneses mezőt. Ennek a mágneses mezőnek koncentrikus körvonalak a formája.

A mágneses mező tanulmányozásához fűrészpor nélkül is megteheti. Elég egy vizsgálómágneses tűt megmozgatni egy áramvezető vezető körül, hogy lássuk, a mágneses erővonalak valóban zárt koncentrikus körök. Ha a tesztnyilat abba az irányba mozgatjuk, amerre a mágneses tér eltéríti, akkor minden bizonnyal ugyanoda térünk vissza, ahonnan elindultunk. Hasonlóan, mint a Föld körül járni: ha bárhová mész anélkül, hogy megfordulnál, akkor előbb-utóbb ugyanoda fogsz eljutni.

2. ábra.

Az árammal rendelkező vezető mágneses mezőjének irányát a fán lyukak fúrására szolgáló eszköz, a kardán szabálya határozza meg. Itt minden nagyon egyszerű: a kardánt úgy kell forgatni, hogy transzlációs mozgása egybeessen a vezetékben lévő áram irányával, majd a fogantyú forgási iránya megmutatja, hová irányul a mágneses tér.

3. ábra

„Az áram belőlünk jön” - a kör közepén lévő kereszt a kép síkján túlrepülő nyíl tollazata, ahol pedig „Az áram hozzánk jön”, a nyílhegy a lap síkja mögül repül. . Legalábbis ilyen magyarázatot adtak ezekre a megnevezésekre az iskolai fizikaórákon.

4. ábra

Ha minden egyes vezetőre alkalmazzuk a gimlet-szabályt, akkor az egyes vezetőkben a mágneses tér irányának meghatározásával bátran kijelenthetjük, hogy az azonos áramirányú vezetők vonzzák egymást, és mágneses mezőik összeadódnak. A különböző irányú áramú vezetők taszítják egymást, mágneses mezőjük kompenzálva van.

Induktor

Ha egy áramvezető gyűrű (tekercs) formájában készül, akkor saját mágneses pólusai vannak, észak és dél. De egy fordulat mágneses tere általában kicsi. Sokkal jobb eredményeket érhetünk el, ha a vezetéket tekercs formájában feltekerjük. Az ilyen alkatrészt induktornak vagy egyszerűen induktivitásnak nevezik. Ilyenkor az egyes fordulatok mágneses tere összeadódik, kölcsönösen erősítve egymást.

5. ábra

Az 5. ábra azt mutatja, hogy a tekercs mágneses mezőinek összegét hogyan kaphatjuk meg. Úgy tűnik, hogy minden fordulat saját forrásból táplálható, amint az az ábrán látható. 5.2, de egyszerűbb a meneteket sorba kötni (csak egy vezetékkel tekerni).

Nyilvánvaló, hogy minél több fordulattal rendelkezik a tekercs, annál erősebb a mágneses tere. A mágneses tér a tekercsen áthaladó áramtól is függ. Ezért teljesen jogos annak értékelése, hogy egy tekercs képes-e mágneses mezőt létrehozni, egyszerűen úgy, hogy a tekercsen átmenő áramot (A) megszorozzuk a fordulatok számával (W). Ezt az értéket amper-fordulatoknak nevezzük.

mag tekercs

A tekercs által keltett mágneses mező jelentősen növelhető, ha ferromágneses anyagú magot helyezünk a tekercsbe. A 6. ábrán egy táblázat látható a különböző anyagok relatív mágneses permeabilitásával.

Például a transzformátoracél körülbelül 7...7,5 ezerszer erősebbé teszi a mágneses teret, mint mag hiányában. Vagyis a mag belsejében a mágneses tér 7000-szer erősebben fogja forgatni a mágnestűt (ezt csak mentálisan lehet elképzelni).

6. ábra

A paramágneses és diamágneses anyagok a táblázat tetején találhatók. A relatív mágneses permeabilitás µ a vákuumhoz viszonyítva. Ezért a paramágneses anyagok kissé növelik a mágneses teret, míg a diamágneses anyagok kissé gyengítik azt. Általában ezek az anyagok nem gyakorolnak különösebb hatást a mágneses térre. Bár magas frekvenciákon néha sárgaréz vagy alumínium magokat használnak az áramkörök hangolására.

A táblázat alján ferromágneses anyagok találhatók, amelyek árammal nagymértékben fokozzák a tekercs mágneses terét. Így például egy transzformátoracélból készült mag pontosan 7500-szor erősebbé teszi a mágneses teret.

Mit és hogyan kell mérni a mágneses teret

Amikor az elektromos mennyiségek mérésére egységekre volt szükség, az elektron töltését vették szabványnak. Az elektrontöltésből egy nagyon valóságos és még kézzelfogható egység alakult ki - a medál, és ennek alapján minden egyszerűnek bizonyult: amper, volt, ohm, joule, watt, farad.

És mi tekinthető kiindulási pontnak a mágneses mezők mérésénél? Nagyon problémás egy elektront valamilyen módon a mágneses térhez kötni. Ezért a mágnesesség mértékegységeként egy vezetőt alkalmaznak, amelyen 1 A egyenáram folyik át.

A fő ilyen jellemző a feszültség (H). Megmutatja, hogy a fent említett vizsgálóvezetőre milyen erővel hat a mágneses tér, ha az vákuumban történik. A vákuum célja, hogy kizárja a környezet hatását, ezért ez a jellemző - feszültség teljesen tiszta. A feszültség mértékegysége az amper per méter (a/m). Az ilyen feszültség a vezetőtől 16 cm távolságban jelenik meg, amelyen 1A áram folyik át.

A térerősség csak a mágneses tér elméleti képességéről beszél. A valódi cselekvőképességet a mágneses indukció egy másik értéke (B) tükrözi. Ő mutatja meg azt a valódi erőt, amellyel a mágneses mező hat egy 1A áramú vezetőre.

7. ábra

Ha egy 1 m hosszú vezetőben 1A áram folyik, és 1N (102G) erővel kinyomják (vonják), akkor azt mondják, hogy a mágneses indukció nagysága ezen a ponton pontosan 1 Tesla.

A mágneses indukció vektormennyiség, a számértéken kívül iránya is van, ami mindig egybeesik a vizsgált mágneses térben a vizsgált mágneses tű irányával.

8. ábra

A mágneses indukció mértékegysége a tesla (TL), bár a gyakorlatban gyakran használnak kisebb Gauss-egységet: 1TL = 10 000 Gauss. Sok vagy kevés? A mágneses mező egy erős mágnes közelében több T-t is elérhet, az iránytű mágneses tűje közelében legfeljebb 100 gauss, a Föld mágneses tere a felszín közelében körülbelül 0,01 gauss és még ennél is alacsonyabb.

A B mágneses indukciós vektor csak a tér egy pontjában jellemzi a mágneses teret. A mágneses tér hatásának értékelésére egy bizonyos térben egy olyan fogalmat is bevezetnek, mint a mágneses fluxus (Φ).

Valójában az adott téren, valamilyen területen áthaladó mágneses indukciós vonalak számát jelenti: Φ=B*S*cosα. Ez a kép esőcseppekként is ábrázolható: egy vonal egy csepp (B), és együtt egy Φ mágneses fluxus. Így kapcsolódnak közös árammá a tekercs egyes meneteinek mágneses erővonalai.

9. ábra

Az SI rendszerben a Weber (Wb) a mágneses fluxus egysége, ilyen fluxus akkor fordul elő, ha 1 T indukció hat 1 négyzetméteres területen.

A mágneses fluxus különböző eszközökben (motorok, transzformátorok stb.) általában egy bizonyos úton halad át, amelyet mágneses áramkörnek vagy egyszerűen mágneses áramkörnek neveznek. Ha a mágneses áramkör zárt (gyűrűs transzformátor magja), akkor az ellenállása kicsi, a mágneses fluxus akadálytalanul halad át, koncentráltan a mag belsejében. Az alábbi ábra példákat mutat be zárt és nyitott mágneses áramkörű tekercsekre.

10. ábra.

De a mag fűrészelhető és egy darabot ki lehet húzni belőle, hogy mágneses rés keletkezzen. Ez növeli az áramkör általános mágneses ellenállását, ezért csökkenti a mágneses fluxust, és általában az egész mag indukciója csökken. Ez ugyanaz, mint egy nagy ellenállás sorba forrasztása egy elektromos áramkörben.

11. ábra.

Ha a keletkező rést egy acéldarabbal blokkolják, kiderül, hogy a réssel párhuzamosan egy további kisebb mágneses ellenállású szakasz van csatlakoztatva, amely helyreállítja a zavart mágneses fluxust. Ez nagyon hasonlít az elektromos áramkörök söntjéhez. Egyébként a mágneses áramkörre is van törvény, amit a mágneses áramkör Ohm-törvényének neveznek.

12. ábra.

A mágneses fluxus fő része a mágneses söntön megy keresztül. Ezt a jelenséget alkalmazzák az audio- vagy videojelek mágneses rögzítésében: a szalag ferromágneses rétege áthidalja a mágneses fejek magjában lévő rést, és a teljes mágneses fluxus bezárul a szalagon.

A tekercs által generált mágneses fluxus iránya a jobb kéz szabályával határozható meg: ha a négy kinyújtott ujj a tekercsben lévő áram irányát jelzi, akkor a hüvelykujj a mágneses vonalak irányát mutatja, ahogy az ábra mutatja. 13.

13. ábra.

Általánosan elfogadott, hogy a mágneses vonalak elhagyják az északi pólust és belépnek a délibe. Ezért a hüvelykujj ebben az esetben a déli pólus helyét jelzi. Annak ellenőrzésére, hogy ez így van-e, ismét használhatja az iránytűt.

Hogyan működik az elektromos motor

Ismeretes, hogy az elektromosság képes fényt és hőt létrehozni, részt venni az elektrokémiai folyamatokban. A mágnesesség alapjaival való megismerkedés után beszélhetünk az elektromos motorok működéséről.

Az elektromos motorok felépítése, teljesítménye és működési elve nagyon eltérő lehet: például egyen- és váltóáramú, léptető- vagy kollektoros. De a különféle kialakítások mellett a működési elve a forgórész és az állórész mágneses mezőinek kölcsönhatásán alapul.

E mágneses mezők létrehozásához áramot vezetnek át a tekercseken. Minél nagyobb az áramerősség, és minél nagyobb a külső mágneses tér mágneses indukciója, annál erősebb a motor. Mágneses áramköröket használnak ennek a mezőnek az erősítésére, ezért van olyan sok acél alkatrész az elektromos motorokban. Az egyenáramú motorok egyes modelljei állandó mágneseket használnak.

14. ábra.

Itt elmondható, hogy minden világos és egyszerű: áramot vezettünk át a vezetéken, mágneses mezőt kaptunk. Egy másik mágneses térrel való kölcsönhatás hatására ez a vezető mozog, és még mechanikai munkát is végez.

A forgásirány a bal kéz szabályával határozható meg. Ha a négy kinyújtott ujj az áram irányát mutatja a vezetőben, és a mágneses vonalak a tenyérbe jutnak, akkor a behajlított hüvelykujj jelzi a vezető kilökődésének irányát a mágneses térben.

A mozgó elektromos töltés mágneses teret hoz létre a környező térben. A vezetőn áthaladó elektronok mágneses teret hoznak létre a vezető körül. Ha egy fémhuzalt gyűrűkbe tekernek egy rúdra, akkor tekercset kapnak. Kiderült, hogy az ilyen tekercs által létrehozott mágneses mező érdekes és ami a legfontosabb, hasznos tulajdonságokkal rendelkezik.

Miért keletkezik mágneses tér

Bizonyos anyagok mágneses tulajdonságai, amelyek lehetővé teszik a fémtárgyak vonzását, már ősidők óta ismertek. De csak a 19. század elején lehetett közelebb kerülni e jelenség lényegének megértéséhez. Az elektromos töltésekkel analóg módon a mágneses hatásokat bizonyos mágneses töltések (dipólusok) segítségével próbálták megmagyarázni. 1820-ban Hans Oersted dán fizikus felfedezte, hogy a mágneses tű elhajlik, amikor elektromos áram halad át a közelében lévő vezetőn.

Ugyanakkor André Ampère francia kutató azt találta, hogy két egymással párhuzamosan elhelyezkedő vezető kölcsönös vonzást vált ki, ha elektromos áram halad át rajtuk egy irányba, és taszítást, ha az áramok különböző irányúak.

Rizs. 1. Az Amper tapasztalata áramvezető vezetékekkel. Iránytű egy árammal ellátott vezeték közelében

E megfigyelések alapján Ampère arra a következtetésre jutott, hogy az áram és a nyíl kölcsönhatása, a vezetékek és az állandó mágnesek egymás közötti vonzása (és taszítása) megmagyarázható, ha feltételezzük, hogy a mágneses mezőt mozgó elektromos töltések hozzák létre. Ezenkívül Ampere egy merész hipotézist terjesztett elő, amely szerint az anyag belsejében csillapítatlan molekuláris áramok vannak, amelyek az állandó mágneses mező kialakulását okozzák. Ekkor minden mágneses jelenség a mozgó elektromos töltések kölcsönhatásával magyarázható, és nem léteznek speciális mágneses töltések.

A matematikai modellt (elméletet), amelynek segítségével lehetővé vált a mágneses tér nagyságának és a kölcsönhatás erősségének kiszámítása, James Maxwell angol fizikus dolgozta ki. A Maxwell-egyenletekből, amelyek elektromos és mágneses jelenségeket egyesítettek, ez következett:

• A mágneses tér csak az elektromos töltések mozgása következtében jön létre;
• A természetes mágneses testekben állandó mágneses tér létezik, de ebben az esetben a tér oka a molekuláris áramok (örvények) folyamatos mozgása az anyag tömegében;
• Mágneses mező váltakozó elektromos térrel is létrehozható, de ezt a témát a következő cikkeinkben tárgyaljuk.

Egy tekercs mágneses tere árammal

Bármilyen hengeres rúdra (fából, műanyagból stb.) gyűrűkbe tekert fémhuzal elektromágneses tekercs. A vezetéket szigetelni kell, azaz valamilyen szigetelővel (lakk vagy műanyag fonat) kell lefedni, hogy elkerüljük a szomszédos fordulatok rövidre zárását. Az áramfolyás eredményeként az összes fordulat mágneses tere összeadódik, és kiderül, hogy az áramvezető tekercs teljes mágneses tere megegyezik (teljesen hasonló) egy állandó mágnes mágneses terével.

Rizs. 2. A tekercs és az állandó mágnes mágneses tere.

A tekercsen belül a mágneses tér egyenletes lesz, mint egy állandó mágnesben. Kívülről az áramtekercs mágneses erővonalai finom fémreszelékek segítségével érzékelhetők. A mágneses erővonalak zártak. A mágneses iránytű tűjéhez hasonlóan az árammal rendelkező tekercsnek két pólusa van - déli és északi. Az erővonalak az északi sarkon jönnek ki, és délen érnek véget.

Az árammal rendelkező tekercseknél további, különálló nevek is használatosak az alkalmazástól függően:

• Induktor, vagy egyszerűen - induktivitás. A kifejezést a rádiótechnikában használják;
• Gázkar(throssel - szabályozó, határoló). Az elektrotechnikában használatos;
• Szolenoid. Ez az összetett szó két görög szóból származik: solen - csatorna, cső és eidos - hasonló). Ez a speciális mágneses ötvözetekből (ferromágnesekből) készült speciális tekercsek neve, amelyeket elektromechanikus mechanizmusként használnak. Például az autóindítókban a visszahúzó relé egy mágnesszelep.

Rizs. 3. Induktorok, fojtószelep, mágnesszelep

Mágneses mező energia

Az árammal ellátott tekercsben az energia egy áramforrásból (elem, akkumulátor) tárolódik, amely minél nagyobb, annál nagyobb az I áram és az L érték, amit induktivitásnak nevezünk. A W áramerősségű tekercs mágneses terének energiáját a következő képlettel számítjuk ki:

$$ W = (( L*I^2)\ több mint 2 ) $$

Ez a képlet hasonlít a test mozgási energiájának képletére. Az induktivitás hasonló a test tömegéhez, az áram pedig a test sebességéhez. A mágneses energia arányos az áram négyzetével, ahogy a mozgási energia arányos a sebesség négyzetével.

A tekercs induktivitásának kiszámításához a következő képlet használható:

$$ L = μ *((N^2*S)\over l_k) $$

N a tekercs meneteinek száma;

S a tekercs keresztmetszete;

l to - a tekercs hossza;

μ - a maganyag mágneses permeabilitása - referenciaérték. A mag egy fémrúd, amely a tekercs belsejében van elhelyezve. Lehetővé teszi a mágneses tér nagyságának jelentős növelését.

Mit tanultunk?

Tehát megtudtuk, hogy a mágneses tér csak az elektromos töltések mozgásának eredményeként jön létre. Az árammal rendelkező tekercs mágneses tere hasonló az állandó mágnes mágneses teréhez. A tekercs mágneses terének energiája az I áramerősség és az L induktivitás ismeretében számítható ki.

Téma kvíz

Jelentés értékelése

Átlagos értékelés: 4. Összes értékelés: 52.

Ha egy egyenes vezetőt körbe hajtunk, akkor a köráram mágneses tere vizsgálható.
Végezzük el a kísérletet (1). Vezesse át a vezetéket kör formájában a kartonon. Helyezzen néhány szabad mágneses nyilat a karton felületére különböző pontokon. Kapcsolja be az áramot, és ellenőrizze, hogy a mágneses nyilak a tekercs közepén ugyanazt az irányt mutatják, és a tekercsen kívül mindkét oldalon a másik irányba.
Most ismételjük meg a (2) kísérletet, változtassuk meg a pólusokat, és ezáltal az áram irányát. Látjuk, hogy a mágneses nyilak irányt változtattak a karton teljes felületén 180 fokkal.
Következtetésünk: a köráram mágneses vonalai a vezetőben lévő áram irányától is függenek.
Végezzünk el egy kísérletet 3. Távolítsuk el a mágneses nyilakat, kapcsoljuk be az elektromos áramot és óvatosan öntsünk kis vasreszeléket a karton teljes felületére. Hogyan lehet ebben az esetben meghatározni a mágneses erővonalak irányát? Ismét alkalmazzuk a gimlet szabályt, de a köráramra alkalmazva. Ha a karmantyú fogantyújának forgásiránya egybeesik a kör alakú vezető áramának irányával, akkor a kardán transzlációs mozgásának iránya egybeesik a mágneses erővonalak irányával.
Nézzünk meg több esetet.
1. A tekercs síkja a lap síkjában fekszik, a tekercsen áthaladó áram az óramutató járásával megegyező irányba halad. A tekercset az óramutató járásával megegyező irányba forgatva megállapítjuk, hogy a tekercs közepén lévő mágneses erővonalak a tekercs belsejében „tőlünk távol” irányulnak. Ezt hagyományosan "+" (plusz) jel jelzi. Azok. a tekercs közepére "+"-t teszünk
2. A tekercs síkja a lap síkjában fekszik, a tekercsen áthaladó áram az óramutató járásával ellentétes irányba halad. A tekercs óramutató járásával ellentétes irányú forgatásával meghatározzuk, hogy a mágneses erővonalak a tekercs középpontjából "felénk" jönnek ki. Ezt hagyományosan "∙"-vel (pont) jelölik. Azok. a tekercs közepén egy pontot ("∙") kell helyeznünk.
Ha egy henger köré egy egyenes vezetőt tekercselünk, akkor áramos tekercset vagy mágnesszelepet kapunk.
Végezzünk kísérletet (4.) A kísérlethez ugyanazt az áramkört használjuk, csak a vezetéket most tekercs formájában vezetjük át kartonon. Helyezzen több szabad mágneses nyilat a karton síkjára különböző pontokon: a tekercs mindkét végén, a tekercs belsejében és mindkét oldalon kívül. A tekercset vízszintesen kell elhelyezni (balról jobbra irány). Kapcsolja be az áramkört, és nézze meg, hogy a tekercs tengelye mentén elhelyezkedő mágneses tűk egy irányt mutatnak. Megjegyezzük, hogy a tekercs jobb végén a nyíl azt mutatja, hogy az erővonalak belépnek a tekercsbe, ami azt jelenti, hogy ez a "déli pólus" (S), a bal oldalon pedig a mágneses tű mutatja, hogy elhagyva, ez az "északi pólus" (É). A tekercsen kívül a mágnestűk ellenkező irányúak a tekercsen belüli irányhoz képest.
Végezzünk kísérletet (5). Ugyanabban az áramkörben változtassa meg az áram irányát. Azt tapasztaljuk, hogy az összes mágneses nyíl iránya megváltozott, 180 fokkal elfordultak. Következtetésünk: a mágneses erővonalak iránya a tekercs menetein áthaladó áram irányától függ.
Végezzünk kísérletet (6). Távolítsa el a mágneses nyilakat, és kapcsolja be az áramkört. Óvatosan „sózd meg vasreszelékkel” a kartonpapírt az orsón belül és kívül. Képet kapunk a mágneses erővonalakról, amelyeket "áramú tekercs mágneses terének spektrumának" neveznek.
De hogyan lehet meghatározni a mágneses erővonalak irányát? A mágneses erővonalak irányát a kardánszabály szerint ugyanúgy határozzuk meg, mint az árammal működő tekercsnél: Ha a kardán fogantyújának forgásiránya egybeesik a tekercsekben áramló áram irányával, akkor az A transzlációs mozgás egybeesik a szolenoidon belüli mágneses erővonalak irányával. A szolenoid mágneses tere hasonló az állandó rúd mágneséhez. A tekercs vége, amelyből az erővonalak kijönnek, az "északi pólus" (N), és az, amelybe az erővonalak belépnek, a "déli pólus" (S).
Hans Oersted felfedezése után sok tudós elkezdte megismételni kísérleteit, és újakat talált ki, hogy bizonyítékot találjon az elektromosság és a mágnesesség közötti kapcsolatra. Dominique Arago francia tudós egy vasrudat helyezett egy üvegcsőbe, és rátekerte a rézhuzalt, amelyen elektromos áramot vezetett át. Amint Arago lezárta az elektromos áramkört, a vasrúd olyan erősen mágnesezetté vált, hogy magához vonzotta a vaskulcsokat. Sok erőfeszítésbe került a kulcsok levétele. Amikor Arago kikapcsolta az áramforrást, a billentyűk maguktól estek le! Tehát Arago feltalálta az első elektromágnest. A modern elektromágnesek három részből állnak: tekercsből, magból és armatúrából. A vezetékeket egy speciális burkolatba helyezik, amely szigetelő szerepét tölti be. A többrétegű tekercset egy huzallal - egy elektromágnes tekercsével - tekercseljük. Magként acélrudat használnak. A maghoz vonzó lemezt horgonynak nevezzük. Az elektromágneseket tulajdonságaik miatt széles körben használják az iparban: gyorsan demagnetizálódnak, ha az áramot lekapcsolják; a céltól függően többféle méretben készíthetők; Az áramerősség változtatásával az elektromágnes mágneses hatása szabályozható. Az elektromágneseket a gyárakban acél és öntöttvas termékek szállítására használják. Ezek a mágnesek nagy emelőerővel rendelkeznek. Az elektromágneseket elektromos harangokban, elektromágneses elválasztókban, mikrofonokban, telefonokban is használják. Ma a köráram mágneses terét vizsgáltuk, tekercsek árammal. Megismerkedtünk az elektromágnesekkel, ipari és nemzetgazdasági alkalmazásukkal.