Magnetické pôsobenie cievky. Magnetické pole cievky s prúdom. Čo a ako merať magnetické pole
Vodič, ktorým preteká elektrický prúd, vytvára magnetické pole, ktoré je charakterizované vektorom intenzity „H(obr. 3). Intenzita magnetického poľa sa riadi princípom superpozície
a podľa zákona Biot-Savart-Laplace,
kde ja je sila prúdu vo vodiči, je vektor s dĺžkou elementárneho segmentu vodiča a nasmerovaný v smere prúdu, `r je polomerový vektor spájajúci prvok s uvažovaným bodom P.
Jednou z najbežnejších konfigurácií vodičov s prúdom je cievka vo forme prstenca s polomerom R (obr. 3, a). Magnetické pole takéhoto prúdu v rovine prechádzajúcej osou symetrie má tvar (pozri obr. 3, b). Pole ako celok musí mať rotačnú symetriu okolo osi z (obr. 3, b) a samotné siločiary musia byť symetrické okolo roviny slučky (rovina xy). Pole v bezprostrednej blízkosti vodiča bude pripomínať pole v blízkosti dlhého rovného drôtu, pretože vplyv vzdialených častí slučky je tu relatívne malý. Na osi kruhového prúdu je pole nasmerované pozdĺž osi Z.
Vypočítajme intenzitu magnetického poľa na osi prstenca v bode, ktorý sa nachádza vo vzdialenosti z od roviny prstenca. Podľa vzorca (6) stačí vypočítať z-ovú zložku vektora:
. (7)
Integráciou cez celý prstenec získame òd l= 2p R. Keďže podľa Pytagorovej vety r 2 = R 2 + z 2 , potom požadované pole v bode na osi je
. (8)
vektorový smer „H možno nasmerovať podľa pravidla správnej skrutky.
V strede prsteňa z= 0 a vzorec (8) je zjednodušený:
Máme záujem o krátka cievka- valcová drôtená cievka, pozostávajúca z N zákruty rovnakého polomeru. Vďaka osovej symetrii a v súlade s princípom superpozície je magnetické pole takejto cievky na osi H algebraickým súčtom polí jednotlivých závitov. H ja: . Magnetické pole krátkej cievky teda obsahuje N na otáčky, v ľubovoľnom bode na osi sa vypočíta podľa vzorcov
, 
, (10)
kde H- napätie, B– indukcia magnetického poľa.
Magnetické pole solenoidu s prúdom
Na výpočet indukcie magnetického poľa v solenoide sa používa veta o cirkulácii vektora magnetickej indukcie:
, (11)
kde je algebraický súčet prúdov pokrytých obvodom L voľný tvar, n- počet vodičov s prúdmi pokrytými obvodom. V tomto prípade sa každý prúd berie do úvahy toľkokrát, koľkokrát je pokrytý obvodom, a prúd sa považuje za kladný, ktorého smer tvorí pravostranný skrutkový systém so smerom obtoku pozdĺž obvodu - obvod element L.
Aplikujme vetu o obehu vektora magnetickej indukcie na solenoid dĺžky l majúci N so zákrutami s prúdom ja(obr. 4). Pri výpočte berieme do úvahy, že takmer celé pole je sústredené vo vnútri solenoidu (okrajové efekty sú zanedbané) a je homogénne. Potom vzorec 11 bude mať tvar:
,
kde nájdeme indukciu magnetického poľa vytvorenú prúdom vo vnútri solenoidu:
 |
Ryža. 4. Solenoid s prúdom a jeho magnetické pole
Inštalačná schéma
Ryža. 5 Schéma inštalácie
1 - merač indukcie magnetického poľa (teslameter), A - ampérmeter, 2 - spojovací vodič, 3 - meracia sonda, 4 - Hallov senzor *, 5 - skúmaný objekt (skrátená cievka, priamy vodič, solenoid), 6 - zdroj prúdu, 7 - pravítko na fixáciu polohy snímača, 8 - držiak sondy.
* - princíp činnosti snímača je založený na jave Hallovho javu (pozri laboratórnu prácu č. 15 Štúdia Hallovho javu)
Zákazka
1. Štúdium magnetického poľa krátkej cievky
1.1. Zapnite spotrebiče. Napájací zdroj a spínače teslametra sú umiestnené na zadných paneloch.
1.2. Ako skúmaný objekt 5 (pozri obr. 5) umiestnite do držiaka krátku cievku a pripojte ju k zdroju prúdu 6.
1.3. Nastavte regulátor napätia na zdroji 6 do strednej polohy. Nastavte intenzitu prúdu na nulu nastavením intenzity prúdu na výstupe zdroja 6 a ovládajte ho ampérmetrom (hodnota musí byť nula).
1.4. Regulátory hrubého 1 a jemného ladenia 2 (obr. 6) dosahujú nulové hodnoty teslametra.
1.5. Nainštalujte držiak s meracou sondou na pravítko do polohy vhodnej na čítanie - napríklad na súradnicu 300 mm. V budúcnosti berte túto pozíciu ako nulovú. Počas inštalácie a počas meraní sledujte rovnobežnosť medzi sondou a pravítkom.
1.6. Umiestnite držiak s krátkou cievkou tak, aby bol Hallov snímač 4 v strede závitov cievky (obr. 7). K tomu použite upínaciu a výškovú nastavovaciu skrutku na držiaku sondy. Rovina cievky musí byť kolmá na sondu. V procese prípravy meraní pohybujte držiakom so skúšobnou vzorkou, pričom meraciu sondu nechajte bez pohybu.
1.7. Uistite sa, že počas zahrievania teslametra zostávajú jeho hodnoty nulové. Ak tak neurobíte, nastavte teslameter na nulu pri nulovom prúde vo vzorke.
1.8. Nastavte prúd krátkej cievky na 5 A (úpravou výstupu na napájacom zdroji 6, Constanter/Netzgerät Universal).
1.9. Zmerajte magnetickú indukciu B exp na osi cievky v závislosti od vzdialenosti od stredu cievky. Za týmto účelom posuňte držiak sondy pozdĺž pravítka, pričom ho držte rovnobežne s jeho pôvodnou polohou. Záporné hodnoty z zodpovedajú posunutiu sondy do oblasti menších súradníc ako počiatočná a naopak - kladné hodnoty z - do oblasti veľkých súradníc. Zadajte údaje do tabuľky 1.
Tabuľka 1 Závislosť magnetickej indukcie na osi krátkej cievky od vzdialenosti od stredu cievky
1.10. Opakujte body 1.2 - 1.7.
1.11. Zmerajte závislosť indukcie v strede cievky od sily prúdu prechádzajúceho cievkou. Zadajte údaje do tabuľky 2.
Tabuľka 2 Závislosť magnetickej indukcie v strede krátkej cievky od intenzity prúdu v nej
2. Štúdium magnetického poľa solenoidu
2.1. Ako skúmaný objekt 5 umiestnite solenoid na kovovú lavicu z nemagnetického materiálu s nastaviteľnou výškou (obr. 8).
2.2. Opakujte 1.3 - 1.5.
2.3. Výšku lavice nastavte tak, aby meracia sonda prechádzala pozdĺž osi symetrie solenoidu a Hallov snímač bol v strede závitov solenoidu.
2.4. Opakujte kroky 1.7 - 1.11 (namiesto krátkej cievky sa používa solenoid). Zadajte údaje do tabuliek 3 a 4. V tomto prípade určte súradnice stredu elektromagnetu nasledovne: Hallov snímač nainštalujte na začiatok elektromagnetu a upevnite súradnice držiaka. Potom posúvajte držiak pozdĺž pravítka pozdĺž osi solenoidu, až kým nebude koniec snímača na druhej strane solenoidu. Upevnite súradnice držiaka v tejto polohe. Stredová súradnica solenoidu sa bude rovnať aritmetickému priemeru dvoch nameraných súradníc.
Tabuľka 3 Závislosť magnetickej indukcie na osi elektromagnetu od vzdialenosti jeho stredu.
2.5. Opakujte body 1.3 - 1.7.
2.6. Zmerajte závislosť indukcie v strede solenoidu od sily prúdu prechádzajúceho cievkou. Zadajte údaje do tabuľky 4.
Tabuľka 4 Závislosť magnetickej indukcie v strede solenoidu od intenzity prúdu v ňom
3. Štúdium magnetického poľa jednosmerného vodiča s prúdom
3.1. Ako skúmaný objekt 5 nainštalujte priamy vodič s prúdom (obr. 9, a). Za týmto účelom prepojte vodiče z ampérmetra a zdroja energie (skratujte vonkajší obvod) a umiestnite vodič priamo na okraj sondy 3 blízko snímača 4, kolmo na sondu (obr. 9, b). . Na podopretie vodiča použite na jednej strane sondy výškovo nastaviteľnú kovovú lavicu z nemagnetického materiálu a na druhej strane držiak na skúšobné vzorky (jedna z objímok držiaka môže obsahovať svorku vodiča pre spoľahlivejšiu fixáciu tento vodič). Dajte vodičovi rovný tvar.
3.2. Opakujte body 1.3 - 1.5.
3.3. Určte závislosť magnetickej indukcie od sily prúdu vo vodiči. Zadajte namerané údaje do tabuľky 5.
Tabuľka 5 Závislosť magnetickej indukcie vytvorenej priamym vodičom od intenzity prúdu v ňom
4. Stanovenie parametrov študovaných objektov
4.1. Určite (v prípade potreby zmerajte) a zaznamenajte do tabuľky 6 údaje potrebné na výpočty: N až je počet závitov krátkej cievky, R je jeho polomer; N s je počet otáčok solenoidu, l- jeho dĺžka, L- jeho indukčnosť (uvedená na solenoide), d je jeho priemer.
Tabuľka 6 Parametre študovaných vzoriek
| N Komu | R | N S | d | l | L |
Spracovanie výsledkov
1. Pomocou vzorca (10) vypočítajte magnetickú indukciu vytvorenú krátkou cievkou s prúdom. Údaje zadajte do tabuliek 1 a 2. Na základe údajov v tabuľke 1 zostrojte teoretické a experimentálne závislosti magnetickej indukcie na osi krátkej cievky od vzdialenosti z k stredu cievky. Teoretické a experimentálne závislosti sú vynesené v rovnakých súradnicových osiach.
2. Na základe údajov v tabuľke 2 zostavte teoretické a experimentálne závislosti magnetickej indukcie v strede krátkej cievky od intenzity prúdu v nej. Teoretické a experimentálne závislosti sú vynesené v rovnakých súradnicových osiach. Vypočítajte intenzitu magnetického poľa v strede cievky s prúdom 5 A pomocou vzorca (10).
3. Pomocou vzorca (12) vypočítajte magnetickú indukciu vytvorenú solenoidom. Údaje zapíšte do tabuliek 3 a 4. Podľa tabuľky 3 nakreslite teoretické a experimentálne závislosti magnetickej indukcie na osi solenoidu od vzdialenosti z k jej stredu. Teoretické a experimentálne závislosti sú vynesené v rovnakých súradnicových osiach.
4. Na základe údajov v tabuľke 4 zostavte teoretické a experimentálne závislosti magnetickej indukcie v strede solenoidu od intenzity prúdu v ňom. Teoretické a experimentálne závislosti sú vynesené v rovnakých súradnicových osiach. Vypočítajte intenzitu magnetického poľa v strede solenoidu s prúdom 5 A.
5. Zostrojte podľa tabuľky 5 experimentálnu závislosť magnetickej indukcie vytvorenej vodičom od sily prúdu v ňom.
6. Na základe vzorca (5) určte najkratšiu vzdialenosť r o od snímača k vodiču s prúdom (táto vzdialenosť je určená hrúbkou izolácie vodiča a hrúbkou izolácie snímača v sonde). Výsledky výpočtu zadajte do tabuľky 5. Vypočítajte aritmetický priemer r o, porovnajte s vizuálne pozorovanou hodnotou.
7. Vypočítajte indukčnosť solenoidu L. Výsledky výpočtov zadajte do tabuľky 4. Porovnajte získanú priemernú hodnotu L s pevnou hodnotou indukčnosti v tabuľke 6. Na výpočet použite vzorec, kde Y- prietokové prepojenie, Y = N s BS, kde V- magnetická indukcia v solenoide (podľa tabuľky 4), S=p d 2/4 je plocha prierezu solenoidu.
Kontrolné otázky
1. Čo je Biot-Savart-Laplaceov zákon a ako ho aplikovať pri výpočte magnetických polí vodičov s prúdom?
2. Ako sa určuje smer vektora H v zákone Biot-Savart-Laplace?
3. Ako sú navzájom prepojené vektory magnetickej indukcie B a napätie H medzi sebou? Aké sú ich merné jednotky?
4. Ako sa používa Biot-Savart-Laplaceov zákon pri výpočte magnetických polí?
5. Ako sa meria magnetické pole v tomto článku? Na akom fyzikálnom jave je založený princíp merania magnetického poľa?
6. Definujte indukčnosť, magnetický tok, väzbu toku. Zadajte merné jednotky pre tieto veličiny.
bibliografický zoznam
náučnej literatúry
1. Kalašnikov N.P. Základy fyziky. M.: Drop, 2004. Zväzok 1
2. Saveliev I.V.. Kurz fyziky. M.: Nauka, 1998. T. 2.
3. Detlaf A.A.,Yavorsky B.M. Kurz fyziky. Moskva: Vyššia škola, 2000.
4. Irodov I.E Elektromagnetizmus. M.: Binom, 2006.
5. Yavorsky B.M.,Detlaf A.A. Príručka fyziky. M.: Nauka, 1998.
Pokračujeme v štúdiu problematiky elektromagnetických javov. A v dnešnej lekcii zvážime magnetické pole cievky s prúdom a elektromagnetu.
Najväčší praktický záujem je o magnetické pole cievky s prúdom. Ak chcete získať cievku, musíte si vziať izolovaný vodič a navinúť ho okolo rámu. Takáto cievka obsahuje veľké množstvo závitov drôtu. Pozor: tieto drôty sú navinuté na plastovom ráme a tento drôt má dva vývody (obr. 1).
Ryža. 1. Cievka
Štúdium magnetického poľa cievky uskutočnili dvaja slávni vedci: André-Marie Ampère a Francois Arago. Zistili, že magnetické pole cievky je úplne rovnaké ako magnetické pole permanentného magnetu (obr. 2).
Ryža. 2. Magnetické pole cievky a permanentného magnetu
Prečo magnetické čiary cievky vyzerajú takto
Ak priamym vodičom preteká jednosmerný prúd, vzniká okolo neho magnetické pole. Smer magnetického poľa možno určiť podľa „pravidla gimletu“ (obr. 3).
Ryža. 3. Magnetické pole vodiča
Tento vodič ohýbame do špirály. Smer prúdu zostáva rovnaký, magnetické pole vodiča existuje aj okolo vodiča, pridáva sa pole rôznych úsekov vodiča. Vo vnútri cievky bude magnetické pole sústredené. V dôsledku toho získame nasledujúci obrázok magnetického poľa cievky (obr. 4).
Ryža. 4. Magnetické pole cievky
Okolo cievky nesúcej prúd je magnetické pole. Rovnako ako pole priameho vodiča sa dá zistiť pomocou pilín (obr. 5). Magnetické siločiary cievky s prúdom sú tiež uzavreté.
Ryža. 5. Umiestnenie kovových pilín v blízkosti cievky prúdu
Ak je cievka s prúdom zavesená na tenkých a flexibilných vodičoch, bude inštalovaná rovnakým spôsobom ako magnetická kompasová ihla. Jeden koniec cievky bude smerovať na sever, druhý na juh. To znamená, že cievka s prúdom má podobne ako magnetická ihla dva póly – severný a južný (obr. 6).
Ryža. 6. Póly cievky
Na elektrických schémach je cievka označená takto:
Ryža. 7. Označenie cievky na schémach
Cievky s prúdom sú široko používané v technológii ako magnety. Sú vhodné v tom, že ich magnetické pôsobenie sa môže meniť v širokom rozsahu.
Magnetické pole cievky je veľké v porovnaní s magnetickým poľom vodiča (pri rovnakej sile prúdu).
Pri prechode prúdu cievkou sa okolo nej vytvorí magnetické pole. Čím viac prúdu preteká cievkou, tým silnejšie bude magnetické pole.
Dá sa upevniť magnetickou ihlou alebo kovovými hoblinami.
Tiež magnetické pole cievky závisí od počtu závitov. Magnetické pole cievky s prúdom je silnejšie, čím väčší je počet závitov v nej. To znamená, že môžeme upraviť pole cievky zmenou počtu jej závitov alebo elektrického prúdu pretekajúceho cievkou.
Ale najzaujímavejší bol objav anglického inžiniera Sturgeona. Ukázal nasledovné: vedec vzal a nasadil cievku na železné jadro. Ide o to, že prechodom elektrického prúdu cez závity týchto cievok sa magnetické pole mnohonásobne zvýšilo - a všetky železné predmety, ktoré boli okolo, začali byť priťahované k tomuto zariadeniu (obr. 8). Toto zariadenie sa nazýva "elektromagnet".
Ryža. 8. Elektromagnet
Keď ich napadlo vyrobiť železný hák a pripevniť ho k tomuto zariadeniu, dostali možnosť ťahať rôzne bremená. Čo je teda elektromagnet?
Definícia
Elektromagnet- je to cievka s veľkým počtom závitov vinutia, nasadená na železné jadro, ktorá pri prechode elektrického prúdu vinutím nadobúda vlastnosti magnetu.
Elektromagnet na schéme je označený ako cievka a navrchu je vodorovná čiara (obr. 9). Táto čiara predstavuje železné jadro.
Ryža. 9. Označenie elektromagnetu
Keď sme študovali elektrické javy, povedali sme, že elektrický prúd má rôzne vlastnosti, vrátane magnetických. A jeden z experimentov, o ktorých sme hovorili, súvisel s tým, že zoberieme drôt pripojený k zdroju prúdu, omotáme ho okolo železného klinca a pozorujeme, ako sa k tomuto klincu začínajú priťahovať rôzne železné predmety (obr. 10). Toto je najjednoduchší elektromagnet. A teraz chápeme, že najjednoduchší elektromagnet nám poskytuje tok prúdu v cievke, veľké množstvo závitov a samozrejme kovové jadro.
Ryža. 10. Najjednoduchší elektromagnet
Dnes sú elektromagnety veľmi rozšírené. Elektromagnety fungujú takmer všade a všade. Napríklad, ak potrebujeme ťahať dostatočne veľké bremená, použijeme elektromagnety. A úpravou sily prúdu podľa toho silu buď zvýšime alebo znížime. Ďalším príkladom použitia elektromagnetov je elektrický zvonček.
Otváranie a zatváranie dverí a brzdy niektorých vozidiel (napríklad električiek) zabezpečujú aj elektromagnety.
Bibliografia
- Gendenstein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. Fyzika 8 / Ed. Orlová V.A., Roizena I.I. - M.: Mnemosyne.
- Peryshkin A.V. Fyzika 8. - M.: Drop, 2010.
- Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Fyzika 8. - M.: Osveta.
- "stránka" internetového portálu ()
- "stránka" internetového portálu ()
- Internetový portál "class-fizika.narod.ru" ()
Domáca úloha
- Čo je to cievka?
- Má nejaká cievka magnetické pole?
- Popíšte najjednoduchší elektromagnet.
Bolo by logické hovoriť o ďalšom zástupcovi pasívnych rádiových prvkov - induktoroch. Ale príbeh o nich bude musieť začať z diaľky, pamätajte na existenciu magnetického poľa, pretože je to magnetické pole, ktoré obklopuje a prestupuje cievky, práve v magnetickom poli, najčastejšie premenlivom, cievky fungujú. Toto je skrátka ich biotop.
Magnetizmus ako vlastnosť hmoty
Magnetizmus je jednou z najdôležitejších vlastností hmoty, rovnako ako napríklad hmotnosť alebo elektrické pole. Fenomény magnetizmu sú však rovnako ako elektrina známe už dlho, no vtedajšia veda nevedela vysvetliť podstatu týchto javov. Nepochopiteľný jav nazval „magnetizmus“ podľa názvu mesta Magnesia, ktoré bolo kedysi v Malej Ázii. Práve z rudy ťaženej v blízkosti sa získavali permanentné magnety.
Ale permanentné magnety nie sú v rámci tohto článku obzvlášť zaujímavé. Keďže bolo sľúbené hovoriť o induktoroch, potom budeme s najväčšou pravdepodobnosťou hovoriť o elektromagnetizme, pretože nie je ani zďaleka tajomstvom, že aj okolo drôtu s prúdom existuje magnetické pole.
V moderných podmienkach je celkom ľahké študovať fenomén magnetizmu aspoň na počiatočnej úrovni. Aby ste to urobili, musíte zostaviť najjednoduchší elektrický obvod z batérie a žiarovky pre baterku. Ako indikátor magnetického poľa, jeho smeru a sily možno použiť obyčajný kompas.
DC magnetické pole
Ako viete, kompas ukazuje smer na sever. Ak v blízkosti umiestnite vodiče najjednoduchšieho obvodu uvedeného vyššie a zapnete žiarovku, strelka kompasu sa trochu odchýli od svojej normálnej polohy.
Paralelným pripojením ďalšej žiarovky môžete zdvojnásobiť prúd v obvode, čím sa mierne zväčší uhol natočenia šípky. To naznačuje, že magnetické pole vodiča s prúdom sa zväčšilo. Na tomto princípe fungujú ukazovacie meracie prístroje.
Ak je polarita batérie obrátená, strelka kompasu tiež otočí druhý koniec - smer magnetického poľa v drôtoch sa tiež zmenil. Keď sa okruh vypne, strelka kompasu sa vráti do svojej správnej polohy. V cievke nie je žiadny prúd a nie je tam žiadne magnetické pole.
Vo všetkých týchto experimentoch hrá kompas úlohu skúšobnej magnetickej strelky, rovnako ako štúdium konštantného elektrického poľa vykonáva skúšobný elektrický náboj.
Na základe takýchto jednoduchých experimentov možno usúdiť, že magnetizmus vzniká v dôsledku elektrického prúdu: čím silnejší je tento prúd, tým silnejšie sú magnetické vlastnosti vodiča. A odkiaľ sa potom berie magnetické pole permanentných magnetov, pretože k nim nikto nepripojil batériu s drôtmi?
Základný vedecký výskum dokázal, že permanentný magnetizmus je založený aj na elektrických javoch: každý elektrón je vo svojom elektrickom poli a má elementárne magnetické vlastnosti. Len vo väčšine látok sú tieto vlastnosti vzájomne neutralizované a pri niektorých z nejakého dôvodu tvoria jeden veľký magnet.
Samozrejme, v skutočnosti nie je všetko také primitívne a jednoduché, ale vo všeobecnosti aj permanentné magnety majú svoje úžasné vlastnosti vďaka pohybu elektrických nábojov.
Čo sú magnetické čiary?
Magnetické čiary je možné vidieť vizuálne. V školskom experimente na hodinách fyziky sa na tento účel nalejú kovové piliny na hárok kartónu a pod ním sa umiestni permanentný magnet. Ľahkým poklepaním na hárok kartónu môžete dosiahnuť obrázok znázornený na obrázku 1.
Obrázok 1.
Je ľahké vidieť, že magnetické siločiary vychádzajú zo severného pólu a vstupujú na juh bez toho, aby sa zlomili. Samozrejme, dá sa povedať, že naopak z juhu na sever, ale je to tak akceptované, teda zo severu na juh. Rovnakým spôsobom, ako kedysi naberali smer prúdu z plusu do mínusu.
Ak namiesto permanentného magnetu cez lepenku prechádza drôt s prúdom, kovové piliny mu ukážu, vodič, magnetické pole. Toto magnetické pole má tvar sústredných kruhových čiar.
Ak chcete študovať magnetické pole, môžete to urobiť bez pilín. Stačí pohnúť skúšobnou magnetickou ihlou okolo vodiča s prúdom, aby ste videli, že magnetické siločiary sú skutočne uzavreté sústredné kruhy. Ak posunieme testovaciu šípku v smere, kde ju magnetické pole vychyľuje, tak sa určite vrátime do toho istého bodu, z ktorého sme sa začali pohybovať. Podobne ako pri chôdzi po Zemi: ak pôjdete kamkoľvek bez odbočenia, skôr či neskôr prídete na to isté miesto.
Obrázok 2
Smer magnetického poľa vodiča s prúdom je určený pravidlom gimletu, nástroja na vŕtanie dier do stromu. Všetko je tu veľmi jednoduché: gimlet sa musí otočiť tak, aby sa jeho translačný pohyb zhodoval so smerom prúdu v drôte, potom smer otáčania rukoväte ukáže, kam smeruje magnetické pole.
Obrázok 3
„Prúd prichádza od nás“ - kríž v strede kruhu je perie šípu letiaceho za rovinu obrázka a tam, kde „Prúd k nám prichádza“, je šípka zobrazená, ako letí spoza roviny listu. . Aspoň takéto vysvetlenie týchto označení bolo na hodinách fyziky v škole.
Obrázok 4
Ak aplikujeme gimletovo pravidlo na každý vodič, potom určením smeru magnetického poľa v každom vodiči môžeme s istotou povedať, že vodiče s rovnakým smerom prúdu sa priťahujú a ich magnetické polia sa sčítavajú. Vodiče s prúdmi rôznych smerov sa navzájom odpudzujú, ich magnetické pole je kompenzované.
Induktor
Ak je vodič s prúdom vyrobený vo forme krúžku (cievky), potom má svoje vlastné magnetické póly, severné a južné. Ale magnetické pole jednej otáčky je spravidla malé. Oveľa lepšie výsledky možno dosiahnuť navinutím drôtu vo forme cievky. Takáto časť sa nazýva induktor alebo jednoducho indukčnosť. V tomto prípade sa magnetické polia jednotlivých závitov sčítavajú a navzájom sa posilňujú.
Obrázok 5
Obrázok 5 ukazuje, ako možno získať súčet magnetických polí cievky. Zdá sa, že každé otočenie môže byť napájané z vlastného zdroja, ako je znázornené na obr. 5.2, ale je jednoduchšie zapojiť závity do série (stačí navinúť jedným drôtom).
Je celkom zrejmé, že čím viac závitov má cievka, tým silnejšie je jej magnetické pole. Magnetické pole závisí aj od prúdu cez cievku. Preto je celkom legitímne hodnotiť schopnosť cievky vytvárať magnetické pole jednoducho vynásobením prúdu cievkou (A) počtom závitov (W). Táto hodnota sa nazýva ampér - otáčky.
jadrová cievka
Magnetické pole vytvorené cievkou sa môže výrazne zvýšiť, ak sa do cievky vloží jadro z feromagnetického materiálu. Obrázok 6 ukazuje tabuľku s relatívnou magnetickou permeabilitou rôznych látok.
Napríklad transformátorová oceľ spôsobí, že magnetické pole bude asi 7 až 7,5 tisíc krát silnejšie ako pri absencii jadra. Inými slovami, vo vnútri jadra bude magnetické pole otáčať magnetickou ihlou 7000-krát silnejšie (to si možno len mentálne predstaviť).
Obrázok 6
Paramagnetické a diamagnetické látky sú umiestnené v hornej časti tabuľky. Relatívna magnetická permeabilita µ je relatívna k vákuu. Paramagnetické látky preto mierne zväčšujú magnetické pole, zatiaľ čo diamagnetické látky ho mierne oslabujú. Vo všeobecnosti tieto látky nemajú osobitný vplyv na magnetické pole. Aj keď pri vysokých frekvenciách sa niekedy na ladenie obvodov používajú mosadzné alebo hliníkové jadrá.
V spodnej časti tabuľky sú feromagnetické látky, ktoré výrazne zosilňujú magnetické pole cievky prúdom. Napríklad jadro vyrobené z transformátorovej ocele zosilní magnetické pole presne 7500-krát.
Čo a ako merať magnetické pole
Keď boli na meranie elektrických veličín potrebné jednotky, ako štandard sa bral náboj elektrónu. Z elektrónového náboja sa vytvorila veľmi skutočná a dokonca hmatateľná jednotka - prívesok a na jeho základe sa všetko ukázalo ako jednoduché: ampér, volt, ohm, joule, watt, farad.
A z čoho možno vychádzať pri meraní magnetických polí? Je veľmi problematické nejakým spôsobom naviazať elektrón na magnetické pole. Preto sa ako merná jednotka v magnetizme používa vodič, cez ktorý preteká jednosmerný prúd 1 A.
Hlavnou takouto charakteristikou je napätie (H). Ukazuje, akou silou pôsobí magnetické pole na vyššie uvedený testovací vodič, ak sa tak deje vo vákuu. Vákuum má vylúčiť vplyv prostredia, preto sa táto charakteristika - napätie považuje za absolútne čistú. Jednotkou napätia je ampér na meter (a/m). Takéto napätie sa objaví vo vzdialenosti 16 cm od vodiča, ktorým preteká prúd 1A.
Intenzita poľa hovorí len o teoretickej schopnosti magnetického poľa. Reálna schopnosť pôsobiť sa prejavuje ďalšou hodnotou magnetickej indukcie (B). Práve ona ukazuje skutočnú silu, ktorou magnetické pole pôsobí na vodič s prúdom 1A.
Obrázok 7
Ak vo vodiči dlhom 1m tečie prúd 1A a je vytláčaný (priťahovaný) silou 1N (102G), tak hovoria, že veľkosť magnetickej indukcie v tomto bode je presne 1 Tesla.
Magnetická indukcia je vektorová veličina, okrem číselnej hodnoty má aj smer, ktorý sa vždy zhoduje so smerom skúšobnej magnetickej strelky v skúmanom magnetickom poli.
Obrázok 8
Jednotkou magnetickej indukcie je tesla (TL), aj keď v praxi sa často používa menšia jednotka Gauss: 1TL = 10 000 Gauss. Je to veľa alebo málo? Magnetické pole v blízkosti silného magnetu môže dosiahnuť niekoľko T, v blízkosti magnetickej strelky kompasu nie viac ako 100 gaussov, magnetické pole Zeme v blízkosti povrchu je asi 0,01 gauss a ešte nižšie.
Vektor magnetickej indukcie B charakterizuje magnetické pole len v jednom bode priestoru. Na vyhodnotenie pôsobenia magnetického poľa v určitom priestore sa zavádza aj pojem ako magnetický tok (Φ).
V skutočnosti predstavuje počet čiar magnetickej indukcie prechádzajúcich daným priestorom, cez nejakú oblasť: Φ=B*S*cosα. Tento obrázok možno znázorniť ako kvapky dažďa: jedna čiara je jedna kvapka (B) a všetko spolu je to magnetický tok Φ. Takto sú spojené magnetické siločiary jednotlivých závitov cievky do spoločného prúdu.
Obrázok 9
V systéme SI sa Weber (Wb) považuje za jednotku magnetického toku, k takémuto toku dochádza, keď indukcia 1 T pôsobí na plochu 1 m2.
Magnetický tok v rôznych zariadeniach (motory, transformátory atď.) spravidla prechádza určitou cestou, ktorá sa nazýva magnetický obvod alebo jednoducho magnetický obvod. Ak je magnetický obvod uzavretý (jadro prstencového transformátora), potom je jeho odpor malý, magnetický tok prechádza bez prekážok, sústredený vo vnútri jadra. Na obrázku nižšie sú príklady cievok s uzavretými a otvorenými magnetickými obvodmi.
Obrázok 10.
Ale jadro sa dá rozrezať a kúsok z neho vytiahnuť, aby sa vytvorila magnetická medzera. Tým sa zvýši celkový magnetický odpor obvodu, teda zníži sa magnetický tok a vo všeobecnosti sa zníži indukcia v celom jadre. Je to rovnaké ako spájkovanie veľkého odporu v sérii v elektrickom obvode.
Obrázok 11.
Ak je výsledná medzera zablokovaná kusom ocele, ukáže sa, že paralelne s medzerou je pripojená ďalšia sekcia s nižším magnetickým odporom, ktorá obnoví narušený magnetický tok. Je to veľmi podobné skratu v elektrických obvodoch. Mimochodom, existuje aj zákon pre magnetický obvod, ktorý sa nazýva Ohmov zákon pre magnetický obvod.
Obrázok 12.
Hlavná časť magnetického toku bude prechádzať cez magnetický skrat. Práve tento jav sa využíva pri magnetickom zázname audio alebo video signálov: feromagnetická vrstva pásky prekryje medzeru v jadre magnetických hláv a celý magnetický tok sa cez pásku uzavrie.
Smer magnetického toku generovaného cievkou možno určiť pomocou pravidla pravej ruky: ak vytiahnuté štyri prsty ukazujú smer prúdu v cievke, palec bude ukazovať smer magnetických čiar, ako je znázornené na obrázku 13.
Obrázok 13.
Všeobecne sa uznáva, že magnetické čiary opúšťajú severný pól a vstupujú na juh. Preto palec v tomto prípade označuje umiestnenie južného pólu. Ak chcete skontrolovať, či je to tak, môžete znova použiť strelku kompasu.
Ako funguje elektromotor
Je známe, že elektrina môže vytvárať svetlo a teplo, podieľať sa na elektrochemických procesoch. Po oboznámení sa so základmi magnetizmu môžete hovoriť o tom, ako fungujú elektromotory.
Elektromotory môžu mať veľmi rôznu konštrukciu, výkon a princíp činnosti: napríklad jednosmerný a striedavý prúd, krokový alebo kolektorový. Ale pri všetkej rozmanitosti dizajnov je princíp činnosti založený na interakcii magnetických polí rotora a statora.
Na získanie týchto magnetických polí prechádza vinutím prúd. Čím väčší je prúd a čím vyššia je magnetická indukcia vonkajšieho magnetického poľa, tým je motor výkonnejší. Na zosilnenie tohto poľa sa používajú magnetické obvody, preto je v elektromotoroch toľko oceľových častí. Niektoré modely jednosmerných motorov používajú permanentné magnety.
Obrázok 14.
Tu je možné povedať, že všetko je jasné a jednoduché: prešli sme prúdom cez drôt, dostali sme magnetické pole. Interakcia s iným magnetickým poľom spôsobuje, že sa tento vodič pohybuje a dokonca vykonáva mechanickú prácu.
Smer otáčania možno určiť pravidlom ľavej ruky. Ak štyri vystreté prsty ukazujú smer prúdu vo vodiči a magnetické čiary vstupujú do dlane, potom ohnutý palec naznačí smer vypudenia vodiča v magnetickom poli.
Pohyblivý elektrický náboj vytvára v okolitom priestore magnetické pole. Tok elektrónov prechádzajúci vodičom vytvára okolo vodiča magnetické pole. Ak je kovový drôt navinutý v krúžkoch na tyči, získa sa cievka. Ukazuje sa, že magnetické pole vytvorené takouto cievkou má zaujímavé a hlavne užitočné vlastnosti.
Prečo vzniká magnetické pole
Magnetické vlastnosti určitých látok, ktoré umožňujú priťahovať kovové predmety, sú známe už od staroveku. Ale až začiatkom 19. storočia bolo možné priblížiť sa k pochopeniu podstaty tohto fenoménu. Analogicky s elektrickými nábojmi boli pokusy vysvetliť magnetické účinky pomocou určitých magnetických nábojov (dipólov). V roku 1820 dánsky fyzik Hans Oersted zistil, že magnetická ihla sa vychyľuje, keď elektrický prúd prechádza vodičom v jej blízkosti.
Francúzsky výskumník André Ampère zároveň zistil, že dva paralelne umiestnené vodiče spôsobujú vzájomnú príťažlivosť, keď nimi prechádza elektrický prúd jedným smerom a odpudzovanie, ak prúdy smerujú rôznymi smermi.
Ryža. 1. Ampérove skúsenosti s vodičmi s prúdom. Ihla kompasu v blízkosti drôtu s prúdom
Na základe týchto pozorovaní Ampère dospel k záveru, že interakciu prúdu so šípkou, priťahovanie (a odpudzovanie) drôtov a permanentných magnetov medzi sebou možno vysvetliť, ak predpokladáme, že magnetické pole vzniká pohybom elektrických nábojov. Ampere navyše predložil odvážnu hypotézu, podľa ktorej sú vo vnútri látky netlmené molekulárne prúdy, ktoré sú príčinou vzniku konštantného magnetického poľa. Potom všetky magnetické javy možno vysvetliť interakciou pohybujúcich sa elektrických nábojov a neexistujú žiadne špeciálne magnetické náboje.
Matematický model (teória), pomocou ktorého bolo možné vypočítať veľkosť magnetického poľa a silu interakcie, vyvinul anglický fyzik James Maxwell. Z Maxwellových rovníc, ktoré kombinovali elektrické a magnetické javy, vyplynulo, že:
- Magnetické pole vzniká len v dôsledku pohybu elektrických nábojov;
- V prirodzených magnetických telesách existuje konštantné magnetické pole, ale v tomto prípade je príčinou poľa neustály pohyb molekulárnych prúdov (vírov) v hmote;
- Magnetické pole možno vytvoriť aj pomocou striedavého elektrického poľa, ale tejto téme sa budeme venovať v ďalších článkoch.
Magnetické pole cievky s prúdom
Kovový drôt navinutý v krúžkoch na ľubovoľnej valcovej tyči (drevenej, plastovej atď.) Je elektromagnetická cievka. Drôt musí byť izolovaný, to znamená pokrytý nejakým druhom izolátora (lak alebo plastový oplet), aby sa zabránilo skratovaniu susedných závitov. V dôsledku toku prúdu sa magnetické polia všetkých závitov sčítajú a ukazuje sa, že celkové magnetické pole cievky s prúdom je totožné (úplne podobné) s magnetickým poľom permanentného magnetu.
Ryža. 2. Magnetické pole cievky a permanentného magnetu.
Vo vnútri cievky bude magnetické pole rovnomerné, ako pri permanentnom magnete. Z vonkajšej strany môžu byť magnetické siločiary prúdovej cievky detekované pomocou jemných kovových pilín. Magnetické siločiary sú uzavreté. Analogicky s strelkou magnetického kompasu má cievka s prúdom dva póly - južný a severný. Siločiary vychádzajú zo severného pólu a končia na juhu.
Pre cievky s prúdom existujú ďalšie samostatné názvy, ktoré sa používajú v závislosti od aplikácie:
- Induktor alebo jednoducho - indukčnosť. Termín sa používa v rádiotechnike;
- Plyn(škrtič - regulátor, obmedzovač). Používa sa v elektrotechnike;
- Solenoid. Toto zložené slovo pochádza z dvoch gréckych slov: solen - kanál, fajka a eidos - podobný). Tak sa nazývajú špeciálne cievky s jadrami vyrobenými zo špeciálnych magnetických zliatin (feromagnetov), ktoré sa používajú ako elektromechanické mechanizmy. Napríklad v štartéroch automobilov je relé navíjača solenoid.
Ryža. 3. Tlmivky, tlmivka, solenoid
Energia magnetického poľa
V cievke s prúdom sa ukladá energia zo zdroja energie (batéria, akumulátor), ktorá je tým väčšia, čím väčší je prúd I a hodnota L, ktorá sa nazýva indukčnosť. Energia magnetického poľa cievky s prúdom W sa vypočíta podľa vzorca:
$$ W = (( L*I^2)\viac ako 2) $$
Tento vzorec sa podobá vzorcu pre kinetickú energiu telesa. Indukčnosť je podobná hmotnosti tela a prúd je podobný rýchlosti tela. Magnetická energia je úmerná štvorcu prúdu, rovnako ako kinetická energia je úmerná štvorcu rýchlosti.
Na výpočet hodnoty indukčnosti cievky existuje nasledujúci vzorec:
$$ L = μ *((N^2*S)\nad l_k) $$
N je počet závitov cievky;
S je plocha prierezu cievky;
l až - dĺžka cievky;
μ - magnetická permeabilita materiálu jadra - referenčná hodnota. Jadrom je kovová tyč umiestnená vo vnútri cievky. Umožňuje výrazne zvýšiť veľkosť magnetického poľa.
čo sme sa naučili?
Takže sme sa dozvedeli, že magnetické pole vzniká iba ako výsledok pohybu elektrických nábojov. Magnetické pole cievky s prúdom je podobné magnetickému poľu permanentného magnetu. Energiu magnetického poľa cievky je možné vypočítať na základe znalosti sily prúdu I a indukčnosti L.
Tématický kvíz
Hodnotenie správy
Priemerné hodnotenie: 4. Celkový počet získaných hodnotení: 52.
Ak je rovný vodič zložený do kruhu, potom možno skúmať magnetické pole kruhového prúdu.
Vykonajte experiment (1). Pretiahnite drôt vo forme kruhu cez lepenku. Umiestnime niekoľko voľných magnetických šípok na povrch kartónu v rôznych bodoch. Zapnite prúd a uvidíte, že magnetické šípky v strede cievky ukazujú rovnaký smer a mimo cievky na oboch stranách v opačnom smere.
Teraz zopakujme experiment (2), pričom zmeníme póly a tým aj smer prúdu. Vidíme, že magnetické šípky zmenili smer na celej ploche kartónu o 180 stupňov.
Dospeli sme k záveru: magnetické čiary kruhového prúdu závisia aj od smeru prúdu vo vodiči.
Urobme pokus 3. Odstránime magnetické šípky, zapneme elektrický prúd a opatrne nasypeme malé železné piliny po celej ploche kartónu. Ako v tomto prípade určiť smer magnetických siločiar? Opäť aplikujeme pravidlo gimlet, ale ako sa používa na kruhový prúd. Ak je smer otáčania rukoväte prívesku zarovnaný so smerom prúdu v kruhovom vodiči, potom sa smer translačného pohybu prívesku zhoduje so smerom magnetických siločiar.
Zoberme si niekoľko prípadov.
1. Rovina cievky leží v rovine plechu, prúd cievkou ide v smere hodinových ručičiek. Otáčaním cievky v smere hodinových ručičiek určíme, že magnetické siločiary v strede cievky smerujú dovnútra cievky „preč od nás“. Toto je zvyčajne označené znamienkom "+" (plus). Tie. do stredu cievky dáme "+"
2. Rovina cievky leží v rovine plechu, prúd cievkou ide proti smeru hodinových ručičiek. Otáčaním cievky proti smeru hodinových ručičiek určíme, že magnetické siločiary vychádzajú zo stredu cievky „smerom k nám“. Toto sa bežne označuje ako „∙“ (bodka). Tie. do stredu cievky musíme umiestniť bodku („∙“).
Ak je okolo valca navinutý rovný vodič, získa sa cievka s prúdom alebo solenoid.
Urobme experiment (4.) Na experiment použijeme rovnaký obvod, len drôt teraz prechádza cez lepenku vo forme cievky. Umiestnime niekoľko voľných magnetických šípok na rovinu kartónu v rôznych bodoch: na oboch koncoch cievky, vo vnútri cievky a na oboch stranách vonku. Nechajte cievku umiestniť vodorovne (smer zľava doprava). Zapnite obvod a zistite, že magnetické ihly umiestnené pozdĺž osi cievky ukazujú jeden smer. Všimli sme si, že na pravom konci cievky šípka ukazuje, že siločiary vstupujú do cievky, čo znamená, že toto je „južný pól“ (S), a na ľavom konci magnetická ihla ukazuje, že odchádzajú. , toto je „severný pól“ (N). Mimo cievky majú magnetické ihly opačný smer v porovnaní so smerom vo vnútri cievky.
Vykonajte experiment (5). V tom istom okruhu zmeňte smer prúdu. Zistili sme, že smer všetkých magnetických šípok sa zmenil, otočili sa o 180 stupňov. Dospeli sme k záveru: smer magnetických siločiar závisí od smeru prúdu cez závity cievky.
Vykonajte experiment (6). Odstráňte magnetické šípky a zapnite obvod. Opatrne „osoľte železnými pilinami“ kartón vo vnútri a mimo kotúča. Získame obraz magnetických siločiar, ktorý sa nazýva "spektrum magnetického poľa cievky s prúdom"
Ako však určiť smer siločiar magnetického poľa? Smer magnetických siločiar sa určuje podľa pravidla gimletu rovnakým spôsobom ako v prípade cievky s prúdom: Ak je smer otáčania rukoväte v súlade so smerom prúdu v cievkach, potom smer otáčania translačný pohyb sa bude zhodovať so smerom magnetických siločiar vo vnútri solenoidu. Magnetické pole solenoidu je podobné poľu permanentného tyčového magnetu. Koniec cievky, z ktorého siločiary vychádzajú, bude „severný pól“ (N) a ten, do ktorého siločiary vstúpia, bude „južný pól“ (S).
Po objave Hansa Oersteda mnohí vedci začali opakovať jeho experimenty a vymýšľali nové, aby našli dôkazy o spojení medzi elektrinou a magnetizmom. Francúzsky vedec Dominique Arago vložil železnú tyč do sklenenej trubice a navinul na ňu medený drôt, ktorým prechádzal elektrický prúd. Len čo Arago uzavrel elektrický obvod, železná tyč sa tak silno zmagnetizovala, že k sebe pritiahla železné kľúče. Vytiahnuť kľúče si vyžadovalo veľa úsilia. Keď Arago vypol zdroj energie, kľúče samy spadli! Arago teda vynašiel prvý elektromagnet. Moderné elektromagnety sa skladajú z troch častí: vinutie, jadro a kotva. Drôty sú umiestnené v špeciálnom plášti, ktorý hrá úlohu izolátora. Viacvrstvová cievka je navinutá drôtom - vinutím elektromagnetu. Ako jadro sa používa oceľová tyč. Doska, ktorá je priťahovaná k jadru, sa nazýva kotva. Elektromagnety sú široko používané v priemysle kvôli svojim vlastnostiam: rýchlo sa demagnetizujú, keď je prúd vypnutý; môžu byť vyrobené v rôznych veľkostiach v závislosti od účelu; Zmenou prúdu možno ovládať magnetické pôsobenie elektromagnetu. Elektromagnety sa používajú v továrňach na prenášanie výrobkov z ocele a liatiny. Tieto magnety majú veľkú zdvíhaciu silu. Elektromagnety sa používajú aj v elektrických zvončekoch, elektromagnetických separátoroch, mikrofónoch, telefónoch. Dnes sme skúmali magnetické pole kruhového prúdu, cievky s prúdom. Oboznámili sme sa s elektromagnetmi, ich aplikáciou v priemysle a v národnom hospodárstve.
