Acțiunea magnetică a bobinei. Câmpul magnetic al unei bobine cu curent. Ce și cum se măsoară câmpul magnetic

Un conductor prin care trece un curent electric creează un câmp magnetic care este caracterizat de vectorul intensității `H(Fig. 3). Intensitatea câmpului magnetic respectă principiul suprapunerii

și, conform legii Biot-Savart-Laplace,

Unde eu este puterea curentului în conductor, este un vector având lungimea unui segment elementar al conductorului și îndreptat în direcția curentului, `r este vectorul rază care leagă elementul cu punctul considerat P.

Una dintre cele mai comune configurații ale conductorilor cu curent este o bobină sub forma unui inel cu raza R (Fig. 3, a). Câmpul magnetic al unui astfel de curent în planul care trece prin axa de simetrie are forma (vezi Fig. 3, b). Câmpul în ansamblu trebuie să aibă simetrie de rotație în jurul axei z (Fig. 3, b), iar liniile de forță în sine trebuie să fie simetrice față de planul buclei (planul X y). Câmpul din imediata apropiere a conductorului se va asemăna cu câmpul din apropierea unui fir drept lung, deoarece influența părților îndepărtate ale buclei este relativ mică aici. Pe axa curentului circular, câmpul este direcționat de-a lungul axei Z.

Să calculăm intensitatea câmpului magnetic pe axa inelului într-un punct situat la o distanță z de planul inelului. Conform formulei (6), este suficient să se calculeze componenta z a vectorului:

. (7)

Integrând pe întregul inel, obținem òd l= 2p R. Întrucât, conform teoremei lui Pitagora r 2 = R 2 + z 2 , atunci câmpul necesar într-un punct de pe axă este

. (8)

direcția vectorială `H poate fi dirijată după regula șurubului drept.

În centrul inelului z= 0 și formula (8) este simplificată:

Suntem interesati de bobină scurtă- o bobină de sârmă cilindrică, formată din N viraje de aceeași rază. Datorită simetriei axiale și în conformitate cu principiul suprapunerii, câmpul magnetic al unei astfel de bobine pe axa H este suma algebrică a câmpurilor spirelor individuale H eu: . Astfel, câmpul magnetic al unei bobine scurte care conține N la viraje, într-un punct arbitrar al axei se calculează prin formule

, , (10)

Unde H- tensiune, B– inducția câmpului magnetic.

Câmp magnetic al unui solenoid cu curent

Pentru a calcula inducția câmpului magnetic în solenoid, se utilizează teorema privind circulația vectorului de inducție magnetică:

, (11)

unde este suma algebrică a curenților acoperiți de circuit L liber de la, n- numarul de conductori cu curenti acoperiti de circuit. În acest caz, fiecare curent este luat în considerare de câte ori este acoperit de circuit, iar curentul este considerat pozitiv, a cărui direcție formează un sistem cu șuruburi din dreapta cu direcția de bypass de-a lungul circuitului - circuitul element L.

Să aplicăm teorema privind circulația vectorului de inducție magnetică la un solenoid de lungime l având N cu ture cu curent eu(Fig. 4). În calcul, ținem cont de faptul că aproape întreg câmpul este concentrat în interiorul solenoidului (efectele de margine sunt neglijate) și este omogen. Atunci formula 11 va lua forma:

de unde găsim inducția câmpului magnetic creat de curentul din interiorul solenoidului:

Orez. 4. Solenoid cu curent și câmpul său magnetic

Schema de instalare

Orez. 5 Schema schematică a instalației

1 - contor de inducție a câmpului magnetic (teslametru), A - ampermetru, 2 - fir de legătură, 3 - sondă de măsurare, 4 - senzor Hall *, 5 - obiect în studiu (bobină scurtă, conductor drept, solenoid), 6 - sursă de curent, 7 - o riglă pentru fixarea poziției senzorului, 8 - suport pentru sondă.

* - principiul de funcționare al senzorului se bazează pe fenomenul efectului Hall (vezi lucrarea de laborator Nr. 15 Studiul efectului Hall)

Comandă de lucru

1. Studiul câmpului magnetic al unei bobine scurte

1.1. Porniți aparatele. Sursa de alimentare și comutatoarele teslametrului sunt situate pe panourile din spate.

1.2. Ca obiect studiat 5 (vezi Fig. 5), plasați o bobină scurtă în suport și conectați-o la sursa de curent 6.

1.3. Setați regulatorul de tensiune de pe sursa 6 în poziția de mijloc. Setați puterea curentului la zero ajustând puterea curentului de ieșire la sursa 6 și controlați-o cu un ampermetru (valoarea trebuie să fie zero).

1.4. Regulatoarele grosiere 1 și reglarea fină 2 (Fig. 6) realizează citiri zero ale teslametrului.

1.5. Instalați suportul cu sonda de măsurare pe riglă într-o poziție convenabilă pentru citire - de exemplu, la coordonatele de 300 mm. În viitor, luați această poziție ca zero. În timpul instalării și în timpul măsurătorilor, respectați paralelismul dintre sondă și riglă.

1.6. Poziționați suportul cu bobina scurtă astfel încât senzorul Hall 4 să fie în centrul spirelor bobinei (Fig. 7). Pentru a face acest lucru, utilizați șurubul de prindere și de reglare a înălțimii de pe suportul sondei. Planul bobinei trebuie să fie perpendicular pe sondă. În procesul de pregătire a măsurătorilor, mutați suportul cu proba de testat, lăsând sonda de măsurare nemișcată.

1.7. Asigurați-vă că în timpul timpului de încălzire a teslametrului, citirile acestuia rămân zero. Dacă nu se face acest lucru, setați teslametrul la zero la curent zero în probă.

1.8. Setați curentul bobinei scurte la 5 A (prin reglarea ieșirii de pe sursa de alimentare 6, Constanter/Netzgerät Universal).

1.9. Măsurați inducția magnetică B exp pe axa bobinei in functie de distanta pana la centrul bobinei. Pentru a face acest lucru, mutați suportul sondei de-a lungul riglei, menținându-se paralel cu poziția inițială. Valorile z negative corespund deplasării sondei zonei de coordonate mai mici decât cea inițială și invers - valorile z pozitive - zonei coordonatelor mari. Introduceți datele în tabelul 1.

Tabelul 1 Dependența inducției magnetice de axa unei bobine scurte de distanța până la centrul bobinei

1.10. Repetați punctele 1.2 - 1.7.

1.11. Măsurați dependența inducției din centrul bobinei de puterea curentului care trece prin bobină. Introduceți datele în tabelul 2.

Tabelul 2 Dependența inducției magnetice din centrul unei bobine scurte de puterea curentului din aceasta

2. Studiul câmpului magnetic al solenoidului

2.1. Ca obiect de studiu 5, așezați solenoidul pe un banc metalic din material nemagnetic reglabil pe înălțime (Fig. 8).

2.2. Repetați 1.3 - 1.5.

2.3. Reglați înălțimea bancului astfel încât sonda de măsurare să treacă de-a lungul axei de simetrie a solenoidului, iar senzorul Hall să fie în mijlocul spirelor solenoidului.

2.4. Repetați pașii 1.7 - 1.11 (se folosește un solenoid în loc de o bobină scurtă). Introduceți datele în tabelele 3 și, respectiv, 4. În acest caz, determinați coordonatele centrului solenoidului după cum urmează: instalați senzorul Hall la începutul solenoidului și fixați coordonata suportului. Apoi mutați suportul de-a lungul riglei de-a lungul axei solenoidului până când capătul senzorului se află pe cealaltă parte a solenoidului. Fixați coordonatele titularului în această poziție. Coordonata centrului solenoidului va fi egală cu media aritmetică a celor două coordonate măsurate.

Tabelul 3 Dependența inducției magnetice de axa solenoidului de distanța până la centrul acesteia.

2.5. Repetați punctele 1.3 - 1.7.

2.6. Măsurați dependența inducției din centrul solenoidului de puterea curentului care trece prin bobină. Introduceți datele în tabelul 4.

Tabelul 4 Dependența inducției magnetice din centrul solenoidului de puterea curentului din acesta

3. Studiul câmpului magnetic al unui conductor direct cu curent

3.1. Ca obiect de studiu 5, instalați un conductor drept cu curent (Fig. 9, a). Pentru a face acest lucru, conectați firele care vin de la ampermetru și sursa de alimentare între ele (scurtificați circuitul extern) și plasați conductorul direct pe marginea sondei 3 lângă senzorul 4, perpendicular pe sondă (Fig. 9, b) . Pentru a susține conductorul, utilizați un banc metalic reglabil pe înălțime din material nemagnetic pe o parte a sondei și un suport pentru probe de testare pe cealaltă parte (una dintre mufele suportului poate include un terminal conductor pentru o fixare mai fiabilă a acest conductor). Dați conductorului o formă dreaptă.

3.2. Repetați punctele 1.3 - 1.5.

3.3. Determinați dependența inducției magnetice de puterea curentului din conductor. Introduceți datele măsurate în tabelul 5.

Tabelul 5 Dependența inducției magnetice creată de un conductor drept de puterea curentului din acesta

4. Determinarea parametrilor obiectelor studiate

4.1. Determinați (dacă este necesar, măsurați) și înregistrați în tabelul 6 datele necesare calculelor: N la este numărul de spire ale bobinei scurte, R este raza sa; N s este numărul de spire ale solenoidului, l- lungimea sa, L- inductanța sa (indicată pe solenoid), d este diametrul acestuia.

Tabelul 6 Parametrii probelor studiate

N La	R	N Cu	d	l	L

Prelucrarea rezultatelor

1. Folosind formula (10), calculați inducția magnetică creată de o bobină scurtă cu curent. Introduceți datele din tabelele 1 și 2. Pe baza datelor din tabelul 1, construiți dependențele teoretice și experimentale ale inducției magnetice pe axa unei bobine scurte de la distanța z până la centrul bobinei. Dependențe teoretice și experimentale sunt reprezentate în aceleași axe de coordonate.

2. Pe baza datelor din tabelul 2, reprezentați grafic dependențele teoretice și experimentale ale inducției magnetice în centrul unei bobine scurte de puterea curentului din aceasta. Dependențe teoretice și experimentale sunt reprezentate în aceleași axe de coordonate. Calculați intensitatea câmpului magnetic în centrul bobinei cu o putere a curentului de 5 A folosind formula (10).

3. Folosind formula (12), calculați inducția magnetică creată de solenoid. Introduceți datele în tabelele 3 și 4. Conform tabelului 3, reprezentați grafic dependențele teoretice și experimentale ale inducției magnetice pe axa solenoidului de la distanța z până la centrul acestuia. Dependențe teoretice și experimentale sunt reprezentate în aceleași axe de coordonate.

4. Pe baza datelor din tabelul 4, construiți dependențele teoretice și experimentale ale inducției magnetice din centrul solenoidului de puterea curentului din acesta. Dependențe teoretice și experimentale sunt reprezentate în aceleași axe de coordonate. Calculați intensitatea câmpului magnetic în centrul solenoidului cu o putere de curent de 5 A în el.

5. Conform tabelului 5, construiți o dependență experimentală a inducției magnetice create de conductor de puterea curentului din acesta.

6. Pe baza formulei (5), determinați cea mai scurtă distanță r o de la senzor la conductorul cu curent (aceasta distanta este determinata de grosimea izolatiei conductorului si grosimea izolatiei senzorului din sonda). Introduceți rezultatele calculului în tabelul 5. Calculați media aritmetică r o , comparați cu o valoare observată vizual.

7. Calculați inductanța solenoidului L. Introduceți rezultatele calculelor în tabelul 4. Comparați valoarea medie obținută L cu o valoare fixă a inductanței în tabelul 6. Pentru a calcula, utilizați formula, unde Y- racordarea fluxului, Y = N cu BS, Unde V- inducție magnetică în solenoid (conform tabelului 4), S=p d 2/4 este aria secțiunii transversale a solenoidului.

Întrebări de control

1. Ce este legea Biot-Savart-Laplace și cum se aplică atunci când se calculează câmpurile magnetice ale conductorilor purtători de curent?

2. Cum se determină direcția unui vector Hîn legea Biot-Savart-Laplace?

3. Cum sunt interconectați vectorii inducției magnetice Bși tensiune H intre ei? Care sunt unitățile lor de măsură?

4. Cum se utilizează legea Biot-Savart-Laplace în calculul câmpurilor magnetice?

5. Cum se măsoară câmpul magnetic în această lucrare? Pe ce fenomen fizic se bazează principiul măsurării câmpului magnetic?

6. Definiți inductanța, fluxul magnetic, legătura de flux. Specificați unitățile de măsură pentru aceste mărimi.

lista bibliografica

literatură educațională

1. Kalashnikov N.P. Fundamentele fizicii. M.: Buttard, 2004. Vol. 1

2. Saveliev I.V.. curs de fizica. M.: Nauka, 1998. T. 2.

3. Detlaf A.A.,Yavorsky B.M. curs de fizica. Moscova: Școala superioară, 2000.

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

5. Yavorsky B.M.,Detlaf A.A. Manual de fizică. M.: Nauka, 1998.

Continuăm să studiem problemele fenomenelor electromagnetice. Și în lecția de astăzi, vom lua în considerare câmpul magnetic al unei bobine cu curent și un electromagnet.

De cel mai mare interes practic este câmpul magnetic al unei bobine purtătoare de curent. Pentru a obține o bobină, trebuie să luați un conductor izolat și să îl înfășurați în jurul cadrului. O astfel de bobină conține un număr mare de spire de sârmă. Vă rugăm să rețineți: aceste fire sunt înfășurate pe un cadru de plastic și acest fir are două fire (Fig. 1).

Orez. 1. Bobina

Studiul câmpului magnetic al bobinei a fost realizat de doi oameni de știință celebri: André-Marie Ampère și Francois Arago. Ei au descoperit că câmpul magnetic al bobinei este exact același cu câmpul magnetic al unui magnet permanent (Fig. 2).

Orez. 2. Câmp magnetic al bobinei și magnet permanent

De ce liniile magnetice ale bobinei arată așa?

Dacă un curent continuu trece printr-un conductor drept, în jurul lui se formează un câmp magnetic. Direcția câmpului magnetic poate fi determinată de „regula brațului” (Fig. 3).

Orez. 3. Câmp magnetic al unui conductor

Îndoim acest conductor într-o spirală. Direcția curentului rămâne aceeași, câmpul magnetic al conductorului există și în jurul conductorului, se adaugă câmpul diferitelor secțiuni ale conductorului. În interiorul bobinei, câmpul magnetic va fi concentrat. Ca rezultat, obținem următoarea imagine a câmpului magnetic al bobinei (Fig. 4).

Orez. 4. Câmp magnetic al bobinei

Există un câmp magnetic în jurul unei bobine purtătoare de curent. Acesta, ca și câmpul unui conductor direct, poate fi detectat folosind rumeguș (Fig. 5). Liniile de câmp magnetic ale unei bobine cu curent sunt de asemenea închise.

Orez. 5. Amplasarea piliturii metalice în apropierea bobinei curente

Dacă o bobină cu curent este suspendată pe conductori subțiri și flexibili, atunci aceasta va fi instalată în același mod ca un ac de busolă magnetică. Un capăt al bobinei va fi orientat spre nord, celălalt va fi orientat spre sud. Aceasta înseamnă că o bobină cu curent, ca un ac magnetic, are doi poli - nord și sud (Fig. 6).

Orez. 6. Stalpi bobine

Pe schemele electrice, bobina este indicată după cum urmează:

Orez. 7. Desemnarea bobinei pe diagrame

Bobinele cu curent sunt utilizate pe scară largă în tehnologie ca magneți. Sunt convenabile prin faptul că acțiunea lor magnetică poate fi variată într-o gamă largă.

Câmpul magnetic al bobinei este mare în comparație cu câmpul magnetic al conductorului (pentru aceeași putere a curentului).

Când un curent trece printr-o bobină, în jurul acesteia se formează un câmp magnetic. Cu cât trece mai mult curent prin bobină, cu atât câmpul magnetic va fi mai puternic.

Poate fi fixat cu un ac magnetic sau cu așchii de metal.
De asemenea, câmpul magnetic al bobinei depinde de numărul de spire. Câmpul magnetic al unei bobine cu curent este mai puternic, cu atât este mai mare numărul de spire în ea. Adică, putem regla câmpul bobinei prin schimbarea numărului de spire sau a curentului electric care curge prin bobină.

Dar cea mai interesantă a fost descoperirea inginerului englez Sturgeon. El a demonstrat următoarele: omul de știință a luat și a pus bobina pe miezul de fier. Chestia este că, prin trecerea unui curent electric prin spirele acestor bobine, câmpul magnetic a crescut de multe ori - și toate obiectele de fier care se aflau în jur au început să fie atrase de acest dispozitiv (Fig. 8). Acest dispozitiv se numește „electromagnet”.

Orez. 8. Electromagnet

Când s-au gândit să facă un cârlig de fier și să-l atașeze la acest dispozitiv, au avut ocazia să tragă diverse încărcături. Deci, ce este un electromagnet?

Definiție

Electromagnet- aceasta este o bobină cu un număr mare de spire de înfășurare, pusă pe un miez de fier, care capătă proprietățile unui magnet atunci când un curent electric trece prin înfășurare.

Electromagnetul din diagramă este desemnat ca o bobină, iar deasupra este situată o linie orizontală (Fig. 9). Această linie reprezintă miezul de fier.

Orez. 9. Denumire electromagnet

Când am studiat fenomenele electrice, am spus că curentul electric are proprietăți diferite, inclusiv magnetice. Și unul dintre experimentele pe care le-am discutat a fost legat de faptul că luăm un fir conectat la o sursă de curent, îl înfășurăm în jurul unui cui de fier și observăm cum încep să fie atrase diferite obiecte de fier de acest cui (Fig. 10). Acesta este cel mai simplu electromagnet. Și acum înțelegem că cel mai simplu electromagnet ne este furnizat de fluxul de curent în bobină, un număr mare de spire și, desigur, un miez metalic.

Orez. 10. Cel mai simplu electromagnet

Astăzi, electromagneții sunt foarte răspândiți. Electromagneții funcționează aproape oriunde și peste tot. De exemplu, dacă trebuie să tragem încărcături suficient de mari, folosim electromagneți. Și prin ajustarea puterii curentului, în consecință, vom crește sau reduce puterea. Un alt exemplu de utilizare a electromagneților este soneria electrică.

Deschiderea și închiderea ușilor și frânele unor vehicule (de exemplu, tramvaie) sunt asigurate și de electromagneți.

Bibliografie

Gendenstein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. Fizica 8 / Ed. Orlova V.A., Roizena I.I. - M.: Mnemosyne.
Peryshkin A.V. Fizica 8. - M.: Butard, 2010.
Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Fizica 8. - M.: Iluminismul.

Portal de internet „site” ()
Portal de internet „site” ()
Portalul de internet „class-fizika.narod.ru” ()

Teme pentru acasă

Ce este o bobină?
Are vreo bobină un câmp magnetic?
Descrie cel mai simplu electromagnet.

Ar fi logic să vorbim despre un alt reprezentant al elementelor radio pasive - inductori. Dar povestea despre ei va trebui să înceapă de departe, să ne amintim de existența unui câmp magnetic, pentru că este câmpul magnetic care înconjoară și pătrunde bobinele, tocmai în câmpul magnetic, cel mai adesea variabil, funcționează bobinele. Pe scurt, acesta este habitatul lor.

Magnetismul ca proprietate a materiei

Magnetismul este una dintre cele mai importante proprietăți ale materiei, la fel ca, de exemplu, masa sau câmpul electric. Fenomenele magnetismului, la fel ca și electricitatea, sunt însă cunoscute de mult timp, dar știința de atunci nu putea explica esența acestor fenomene. Un fenomen de neînțeles a fost numit „magnetism” după numele orașului Magnesia, care se afla cândva în Asia Mică. Din minereul extras în apropiere s-au obținut magneți permanenți.

Dar magneții permanenți nu sunt deosebit de interesanți în cadrul acestui articol. Deoarece s-a promis că se vorbește despre inductori, atunci cel mai probabil vom vorbi despre electromagnetism, deoarece este departe de a fi un secret faptul că există un câmp magnetic chiar și în jurul unui fir cu curent.

În condițiile moderne, este destul de ușor să studiezi fenomenul magnetismului la nivel inițial, cel puțin. Pentru a face acest lucru, trebuie să asamblați cel mai simplu circuit electric dintr-o baterie și un bec pentru o lanternă. O busolă obișnuită poate fi folosită ca indicator al câmpului magnetic, al direcției și intensității acestuia.

câmp magnetic DC

După cum știți, busola arată direcția spre nord. Dacă plasați în apropiere firele celui mai simplu circuit menționat mai sus și aprindeți becul, atunci acul busolei se va abate oarecum de la poziția sa normală.

Prin conectarea unui alt bec în paralel, puteți dubla curentul din circuit, ceea ce va crește ușor unghiul de rotație al săgeții. Acest lucru sugerează că câmpul magnetic al firului care transportă curent a devenit mai mare. Pe acest principiu funcționează instrumentele de măsurare cu indicatori.

Dacă polaritatea bateriei este inversată, atunci acul busolei va întoarce și celălalt capăt - direcția câmpului magnetic din fire s-a schimbat și ea. Când circuitul este oprit, acul busolei va reveni la poziția potrivită. Nu există curent în bobină și nu există câmp magnetic.

În toate aceste experimente, busola joacă rolul unui ac magnetic de testare, la fel cum studiul unui câmp electric constant este realizat printr-o sarcină electrică de testare.

Pe baza unor astfel de experimente simple, se poate concluziona că magnetismul ia naștere datorită unui curent electric: cu cât acest curent este mai puternic, cu atât mai puternice sunt proprietățile magnetice ale conductorului. Și de unde, atunci, câmpul magnetic al magneților permanenți, pentru că nimeni nu a conectat la ei o baterie cu fire?

Cercetările științifice fundamentale au demonstrat că magnetismul permanent se bazează și pe fenomene electrice: fiecare electron se află în propriul său câmp electric și are proprietăți magnetice elementare. Numai în majoritatea substanțelor aceste proprietăți sunt neutralizate reciproc, iar în unele din anumite motive se adună până la un magnet mare.

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

Ce sunt liniile magnetice?

Liniile magnetice pot fi văzute vizual. Într-un experiment școlar la lecțiile de fizică, pentru aceasta, pilitura de metal sunt turnate pe o foaie de carton, iar dedesubt este plasat un magnet permanent. Atingând ușor o coală de carton, puteți obține imaginea prezentată în Figura 1.

Poza 1.

Este ușor de observat că liniile magnetice de forță ies din polul nord și intră în sud fără a se rupe. Desigur, se poate spune că, dimpotrivă, de la sud la nord, dar este atât de acceptat, așadar, de la nord la sud. În același mod în care au luat cândva direcția curentului de la plus la minus.

Dacă, în loc de magnet permanent, un fir cu curent este trecut prin carton, atunci pilitura de metal îi va arăta, conductorului, un câmp magnetic. Acest câmp magnetic are forma unor linii circulare concentrice.

Pentru a studia câmpul magnetic, puteți face fără rumeguș. Este suficient să mutați un ac magnetic de testare în jurul unui conductor care poartă curent pentru a vedea că liniile magnetice de forță sunt într-adevăr cercuri concentrice închise. Dacă deplasăm săgeata de test în direcția în care câmpul magnetic o deviază, atunci cu siguranță ne vom întoarce în același punct din care am început să ne mișcăm. În mod similar, ca și mersul în jurul Pământului: dacă mergi oriunde fără să te întorci, atunci mai devreme sau mai târziu vei ajunge în același loc.

Figura 2.

Direcția câmpului magnetic al unui conductor cu curent este determinată de regula unui braț, un instrument pentru găurirea unui copac. Totul este foarte simplu aici: brațul trebuie rotit astfel încât mișcarea sa de translație să coincidă cu direcția curentului din fir, apoi sensul de rotație al mânerului va arăta unde este îndreptat câmpul magnetic.

Figura 3

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

Figura 4

Dacă aplicăm regula brațului fiecărui conductor, atunci determinând direcția câmpului magnetic în fiecare conductor, putem spune cu încredere că conductorii cu aceeași direcție a curentului se atrag, iar câmpurile lor magnetice se adună. Conductorii cu curenți de direcții diferite se resping reciproc, câmpul lor magnetic este compensat.

Inductor

Dacă un conductor cu curent este realizat sub formă de inel (bobină), atunci are proprii poli magnetici, nord și sud. Dar câmpul magnetic al unei ture, de regulă, este mic. Rezultate mult mai bune pot fi obținute prin înfășurarea firului sub formă de bobină. O astfel de piesă se numește inductor sau pur și simplu inductanță. În acest caz, câmpurile magnetice ale spirelor individuale se adună, întărindu-se reciproc.

Figura 5

Figura 5 arată cum se poate obține suma câmpurilor magnetice ale bobinei. Se pare că fiecare tură poate fi alimentată de la propria sa sursă, așa cum se arată în Fig. 5.2, dar este mai ușor să conectați spirele în serie (doar înfășurați cu un singur fir).

Este destul de evident că cu cât bobina are mai multe spire, cu atât câmpul magnetic al acesteia este mai puternic. Câmpul magnetic depinde și de curentul prin bobină. Prin urmare, este destul de legitim să se evalueze capacitatea unei bobine de a crea un câmp magnetic pur și simplu prin înmulțirea curentului prin bobină (A) cu numărul de spire (W). Această valoare se numește amperi - ture.

bobina de miez

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

De exemplu, oțelul transformatorului va face câmpul magnetic de aproximativ 7..7.5 mii de ori mai puternic decât în absența unui miez. Cu alte cuvinte, în interiorul miezului, câmpul magnetic va roti acul magnetic de 7000 de ori mai puternic (acest lucru poate fi imaginat doar mental).

Figura 6

Substanțele paramagnetice și diamagnetice sunt situate în partea de sus a mesei. Permeabilitatea magnetică relativă µ este relativă la vid. Prin urmare, substanțele paramagnetice cresc ușor câmpul magnetic, în timp ce substanțele diamagnetice îl slăbesc ușor. În general, aceste substanțe nu au un efect special asupra câmpului magnetic. Deși, la frecvențe înalte, miezuri de alamă sau aluminiu sunt uneori folosite pentru a regla circuitele.

În partea de jos a tabelului sunt substanțe feromagnetice, care sporesc foarte mult câmpul magnetic al bobinei cu curent. Deci, de exemplu, un miez din oțel transformator va face câmpul magnetic mai puternic de exact 7500 de ori.

Ce și cum se măsoară câmpul magnetic

Când au fost necesare unități pentru măsurarea cantităților electrice, sarcina unui electron a fost luată ca standard. Din sarcina electronului s-a format o unitate foarte reală și chiar tangibilă - pandantivul, iar pe baza lui totul s-a dovedit a fi simplu: amper, volt, ohm, joule, watt, farad.

Și ce poate fi luat ca punct de plecare pentru măsurarea câmpurilor magnetice? Este foarte problematic să legați un electron de câmpul magnetic într-un fel. Prin urmare, ca unitate de măsură în magnetism, se adoptă un conductor prin care circulă un curent continuu de 1 A.

Principala astfel de caracteristică este tensiunea (H). Arată cu ce forță acționează câmpul magnetic asupra conductorului de testare menționat mai sus, dacă se întâmplă în vid. Vidul este destinat să excludă influența mediului, prin urmare această caracteristică - tensiune este considerată absolut pură. Unitatea de măsură a tensiunii este amperul pe metru (a/m). O astfel de tensiune apare la o distanta de 16 cm de conductor, prin care trece un curent de 1A.

Intensitatea câmpului vorbește doar despre capacitatea teoretică a câmpului magnetic. Abilitatea reală de a acționa este reflectată de o altă valoare a inducției magnetice (B). Ea este cea care arată forța reală cu care acționează câmpul magnetic asupra unui conductor cu un curent de 1A.

Figura 7

Dacă un curent de 1 A curge într-un conductor de 1 m lungime și este împins afară (atras) cu o forță de 1N (102G), atunci se spune că mărimea inducției magnetice în acest punct este exact de 1 Tesla.

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

Figura 8

Unitatea de inducție magnetică este tesla (TL), deși în practică este adesea folosită o unitate Gauss mai mică: 1TL = 10.000 Gauss. Este mult sau puțin? Câmpul magnetic din apropierea unui magnet puternic poate atinge câțiva T, lângă acul magnetic al unei busole nu mai mult de 100 gauss, câmpul magnetic al Pământului lângă suprafață este de aproximativ 0,01 gauss și chiar mai mic.

Vectorul de inducție magnetică B caracterizează câmpul magnetic doar într-un punct din spațiu. Pentru a evalua acțiunea unui câmp magnetic într-un anumit spațiu, este introdus și un concept precum flux magnetic (Φ).

De fapt, reprezintă numărul de linii de inducție magnetică care trec printr-un spațiu dat, printr-o zonă: Φ=B*S*cosα. Această imagine poate fi reprezentată ca picături de ploaie: o linie este o picătură (B), și toate împreună este un flux magnetic Φ. Acesta este modul în care liniile magnetice de forță ale spirelor individuale ale bobinei sunt conectate într-un flux comun.

Figura 9

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

Fluxul magnetic din diverse dispozitive (motoare, transformatoare etc.), de regulă, trece printr-o anumită cale, numită circuit magnetic sau pur și simplu circuit magnetic. Dacă circuitul magnetic este închis (miezul unui transformator inel), atunci rezistența sa este mică, fluxul magnetic trece nestingherit, concentrat în interiorul miezului. Figura de mai jos prezintă exemple de bobine cu circuite magnetice închise și deschise.

Figura 10.

Dar miezul poate fi tăiat și o bucată poate fi scoasă din el, pentru a face un gol magnetic. Acest lucru va crește rezistența magnetică generală a circuitului, prin urmare, va reduce fluxul magnetic și, în general, va scădea inducția în întregul miez. Este același lucru cu lipirea unei rezistențe mari în serie într-un circuit electric.

Figura 11.

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

Figura 12.

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

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

Figura 13.

Este în general acceptat că liniile magnetice părăsesc polul nord și intră în sud. Prin urmare, degetul mare în acest caz indică locația polului sudic. Pentru a verifica dacă este așa, puteți utiliza din nou acul busolei.

Cum funcționează un motor electric

Se știe că electricitatea poate crea lumină și căldură, poate participa la procesele electrochimice. După ce te-ai familiarizat cu elementele de bază ale magnetismului, poți vorbi despre cum funcționează motoarele electrice.

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

Pentru a obține aceste câmpuri magnetice, un curent este trecut prin înfășurări. Cu cât curentul este mai mare și cu cât este mai mare inducția magnetică a câmpului magnetic extern, cu atât motorul este mai puternic. Circuitele magnetice sunt folosite pentru a amplifica acest câmp, motiv pentru care există atât de multe piese de oțel în motoarele electrice. Unele modele de motoare DC folosesc magneți permanenți.

Figura 14.

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

Direcția de rotație poate fi determinată de regula mâinii stângi. Dacă cele patru degete întinse arată direcția curentului în conductor, iar liniile magnetice intră în palmă, atunci degetul mare îndoit va indica direcția expulzării conductorului în câmpul magnetic.

O sarcină electrică în mișcare creează un câmp magnetic în spațiul înconjurător. Fluxul de electroni care trece printr-un conductor creează un câmp magnetic în jurul conductorului. Dacă un fir metalic este înfășurat în inele pe o tijă, atunci se va obține o bobină. Se pare că câmpul magnetic creat de o astfel de bobină are proprietăți interesante și, cel mai important, utile.

De ce apare un câmp magnetic

Proprietățile magnetice ale anumitor substanțe, care fac posibilă atragerea obiectelor metalice, sunt cunoscute încă din cele mai vechi timpuri. Dar abia la începutul secolului al XIX-lea a fost posibil să ne apropiem de înțelegerea esenței acestui fenomen. Prin analogie cu sarcinile electrice, au existat încercări de a explica efectele magnetice cu ajutorul anumitor sarcini magnetice (dipoli). În 1820, fizicianul danez Hans Oersted a descoperit că un ac magnetic deviază atunci când un curent electric trece printr-un conductor din apropierea lui.

În același timp, cercetătorul francez André Ampère a descoperit că doi conductori amplasați paralel unul cu celălalt provoacă atracție reciprocă atunci când un curent electric trece printr-o direcție și repulsie dacă curenții sunt direcționați în direcții diferite.

Orez. 1. Experiența lui Ampere cu firele care transportă curent. Acul de busolă lângă un fir cu curent

Pe baza acestor observații, Ampère a concluzionat că interacțiunea curentului cu o săgeată, atracția (și respingerea) firelor și magneților permanenți între ele pot fi explicate dacă presupunem că câmpul magnetic este creat de sarcini electrice în mișcare. În plus, Ampere a prezentat o ipoteză îndrăzneață, conform căreia există curenți moleculari neamortizați în interiorul substanței, care sunt cauza apariției unui câmp magnetic constant. Atunci toate fenomenele magnetice pot fi explicate prin interacțiunea sarcinilor electrice în mișcare și nu există sarcini magnetice speciale.

Modelul matematic (teoria), cu ajutorul căruia a devenit posibilă calcularea mărimii câmpului magnetic și a intensității interacțiunii, a fost dezvoltat de fizicianul englez James Maxwell. Din ecuațiile lui Maxwell, care combinau fenomene electrice și magnetice, a rezultat că:

Câmpul magnetic apare doar ca urmare a mișcării sarcinilor electrice;
Un câmp magnetic constant există în corpurile magnetice naturale, dar în acest caz, cauza câmpului este mișcarea continuă a curenților moleculari (vârtejuri) în masa materiei;
Un câmp magnetic poate fi creat și folosind un câmp electric alternativ, dar acest subiect va fi discutat în următoarele articole.

Câmpul magnetic al unei bobine cu curent

Un fir metalic înfășurat în inele pe orice tijă cilindrică (de lemn, plastic etc.) este o bobină electromagnetică. Firul trebuie izolat, adică acoperit cu un fel de izolator (lac sau împletitură de plastic) pentru a evita scurtcircuitarea spirelor adiacente. Ca urmare a fluxului de curent, câmpurile magnetice ale tuturor spirelor se adună și se dovedește că câmpul magnetic total al bobinei purtătoare de curent este identic (complet similar) cu câmpul magnetic al unui magnet permanent.

Orez. 2. Câmp magnetic al bobinei și magnet permanent.

În interiorul bobinei, câmpul magnetic va fi uniform, ca într-un magnet permanent. Din exterior, liniile de câmp magnetic ale unei bobine de curent pot fi detectate folosind pilitura metalică fine. Liniile de câmp magnetic sunt închise. Prin analogie cu un ac de busolă magnetică, o bobină cu curent are doi poli - sud și nord. Liniile de forță ies din polul nord și se termină în sud.

Pentru bobinele cu curent, există nume suplimentare, separate, care sunt utilizate în funcție de aplicație:

Inductor, sau pur și simplu - inductanţă. Termenul este folosit în inginerie radio;
regulator(throssel - regulator, limitator). Folosit în inginerie electrică;
Solenoid. Acest cuvânt compus provine din două cuvinte grecești: solen - canal, țeavă și eidos - asemănător). Acesta este numele bobinelor speciale cu miezuri din aliaje magnetice speciale (feromagneți), care sunt folosite ca mecanisme electromecanice. De exemplu, la pornitoarele auto, releul retractor este un solenoid.

Orez. 3. Inductori, bobine, solenoid

Energia câmpului magnetic

Într-o bobină cu curent, energia este stocată dintr-o sursă de energie (baterie, acumulator), care este cu atât mai mare, cu atât este mai mare curentul I și valoarea L, care se numește inductanță. Energia câmpului magnetic al unei bobine cu curent W se calculează folosind formula:

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

Această formulă seamănă cu formula pentru energia cinetică a unui corp. Inductanța este similară cu masa corpului, iar curentul este similar cu viteza corpului. Energia magnetică este proporțională cu pătratul curentului, la fel cum energia cinetică este proporțională cu pătratul vitezei.

Pentru a calcula valoarea inductanței bobinei, există următoarea formulă:

$$ L = μ *((N^2*S)\peste l_k) $$

N este numărul de spire ale bobinei;

S este aria secțiunii transversale a bobinei;

l la - lungimea bobinei;

μ - permeabilitatea magnetică a materialului miezului - o valoare de referință. Miezul este o tijă de metal plasată în interiorul bobinei. Vă permite să creșteți semnificativ amploarea câmpului magnetic.

Ce am învățat?

Așadar, am aflat că câmpul magnetic apare doar ca urmare a mișcării sarcinilor electrice. Câmpul magnetic al unei bobine cu curent este similar cu câmpul magnetic al unui magnet permanent. Energia câmpului magnetic al bobinei poate fi calculată cunoscând puterea curentului I și inductanța L.

Test cu subiecte

Raport de evaluare

Rata medie: 4 . Evaluări totale primite: 52.

Dacă un conductor drept este pliat într-un cerc, atunci câmpul magnetic al curentului circular poate fi investigat.
Să realizăm experimentul (1). Treceți firul sub formă de cerc prin carton. Să punem câteva săgeți magnetice libere pe suprafața cartonului în diferite puncte. Porniți curentul și vedeți că săgețile magnetice din centrul bobinei arată aceeași direcție, iar în exteriorul bobinei pe ambele părți în cealaltă direcție.
Acum să repetăm experimentul (2), schimbând polii și, prin urmare, direcția curentului. Vedem că săgețile magnetice și-au schimbat direcția pe întreaga suprafață a cartonului cu 180 de grade.
Concluzionam: liniile magnetice ale curentului circular depind si de directia curentului in conductor.
Să efectuăm un experiment 3. Să îndepărtăm săgețile magnetice, să pornim curentul electric și să turnăm cu grijă mici pilitură de fier pe toată suprafața cartonului. Cum, în acest caz, să determinăm direcția liniilor câmpului magnetic? Din nou, aplicăm regula gimletului, dar așa cum este aplicată curentului circular. Dacă direcția de rotație a mânerului mânerului este aliniată cu direcția curentului în conductorul circular, atunci direcția mișcării de translație a mânerului va coincide cu direcția liniilor de forță magnetice.
Să luăm în considerare mai multe cazuri.
1. Planul bobinei se află în planul foii, curentul prin bobină merge în sensul acelor de ceasornic. Prin rotirea bobinei în sensul acelor de ceasornic, determinăm că liniile magnetice de forță din centrul bobinei sunt direcționate în interiorul bobinei „departe de noi”. Acest lucru este indicat în mod convențional printr-un semn „+” (plus). Acestea. în centrul bobinei punem „+”
2. Planul bobinei se află în planul foii, curentul prin bobină merge în sens invers acelor de ceasornic. Prin rotirea bobinei în sens invers acelor de ceasornic, determinăm că liniile magnetice de forță ies din centrul bobinei „spre noi”. Acest lucru este notat în mod convențional prin „∙” (punct). Acestea. în centrul bobinei, trebuie să punem un punct ("∙").
Dacă un conductor drept este înfășurat în jurul unui cilindru, atunci se va obține o bobină cu curent sau un solenoid.
Să realizăm un experiment (4.) Folosim același circuit pentru experiment, doar firul este trecut acum prin carton sub formă de bobină. Să plasăm mai multe săgeți magnetice libere pe planul cartonului în puncte diferite: la ambele capete ale bobinei, în interiorul bobinei și pe ambele părți în exterior. Lăsați bobina să fie plasată orizontal (direcție de la stânga la dreapta). Porniți circuitul și găsiți că acele magnetice situate de-a lungul axei bobinei arată o direcție. Observăm că la capătul din dreapta al bobinei, săgeata arată că liniile de forță intră în bobină, ceea ce înseamnă că acesta este „polul sud” (S), iar în stânga, acul magnetic arată că acestea sunt plecând, acesta este „polul nord” (N). În afara bobinei, acele magnetice au direcția opusă față de direcția din interiorul bobinei.
Să efectuăm experimentul (5). În același circuit, schimbați direcția curentului. Constatăm că direcția tuturor săgeților magnetice s-a schimbat, s-au întors la 180 de grade. Concluzionăm: direcția liniilor câmpului magnetic depinde de direcția curentului prin spirele bobinei.
Să efectuăm experimentul (6). Scoateți săgețile magnetice și porniți circuitul. „Sareați cu grijă cu pilitură de fier” cartonul în interiorul și exteriorul bobinei. Obținem o imagine a liniilor de câmp magnetic, care se numește „spectrul câmpului magnetic al unei bobine cu curent”
Dar cum se determină direcția liniilor câmpului magnetic? Direcția liniilor câmpului magnetic se determină conform regulii gimletului în același mod ca și pentru o bobină cu curent: Dacă sensul de rotație al mânerului gimletului este aliniat cu direcția curentului din bobine, atunci direcția de mișcarea de translație va coincide cu direcția liniilor câmpului magnetic din interiorul solenoidului. Câmpul magnetic al unui solenoid este similar cu cel al unui magnet cu bară permanentă. Capătul bobinei din care ies liniile de forță va fi „polul nord” (N), iar cel în care intră liniile de forță va fi „polul sud” (S).
După descoperirea lui Hans Oersted, mulți oameni de știință au început să-i repete experimentele, inventând altele noi pentru a găsi dovezi ale conexiunii dintre electricitate și magnetism. Omul de știință francez Dominique Arago a pus o tijă de fier într-un tub de sticlă și a înfășurat peste el un fir de cupru, prin care a trecut un curent electric. De îndată ce Arago a închis circuitul electric, tija de fier a devenit atât de puternic magnetizată încât a atras cheile de fier spre sine. A fost nevoie de mult efort pentru a scoate cheile. Când Arago a oprit sursa de alimentare, cheile au căzut de la sine! Deci Arago a inventat primul electromagnet. Electromagneții moderni sunt formați din trei părți: înfășurare, miez și armătură. Firele sunt plasate într-o manta speciala, care joaca rolul de izolator. O bobină multistrat este înfășurată cu un fir - înfășurarea unui electromagnet. Ca miez este folosită o tijă de oțel. Placa care este atrasă de miez se numește ancora. Electromagneții sunt folosiți pe scară largă în industrie datorită proprietăților lor: se demagnetizează rapid atunci când curentul este oprit; pot fi realizate într-o varietate de dimensiuni în funcție de scop; Variind curentul, acțiunea magnetică a electromagnetului poate fi controlată. Electromagneții sunt folosiți în fabrici pentru a transporta produse din oțel și fontă. Acești magneți au o putere mare de ridicare. Electromagneții sunt folosiți și în clopoței electrice, separatoare electromagnetice, microfoane, telefoane. Astăzi am examinat câmpul magnetic al curentului circular, bobine cu curent. Ne-am familiarizat cu electromagneții, aplicarea lor în industrie și în economia națională.