Induktivitäten und Magnetfelder

Nach der Geschichte über die Verwendung von Kondensatoren Es wäre logisch, über einen anderen Vertreter passiver Radioelemente zu sprechen - Induktoren. Aber die Geschichte über sie muss von weitem beginnen, um sich an die Existenz eines Magnetfelds zu erinnern, denn es ist das Magnetfeld, das die Spulen umgibt und durchdringt. In einem Magnetfeld, das sich meistens abwechselt, arbeiten die Spulen. Kurz gesagt, dies ist ihr Lebensraum.

Magnetismus als Eigenschaft der Materie

Magnetismus ist eine der wichtigsten Eigenschaften von Materie sowie beispielsweise Masse oder elektrisches Feld. Die Phänomene des Magnetismus sind jedoch wie die Elektrizität seit langem bekannt, nur dann konnte die Wissenschaft das Wesen dieser Phänomene nicht erklären. Ein unverständliches Phänomen wurde "Magnetismus" mit dem Namen der Stadt Magnesia genannt, die sich einst in Kleinasien befand. Aus nahegelegenem Erz wurden Permanentmagnete gewonnen.

Die Permanentmagnete im Rahmen dieses Artikels sind jedoch nicht besonders interessant. Sobald versprochen wurde, über Induktivitäten zu sprechen, werden wir höchstwahrscheinlich über Elektromagnetismus sprechen, da es kein Geheimnis ist, dass selbst um einen Draht mit Strom ein Magnetfeld vorhanden ist.

Unter modernen Bedingungen ist es ziemlich einfach, das Phänomen des Magnetismus zumindest auf der Anfangsebene zu untersuchen. Dazu müssen Sie einen einfachen Stromkreis aus einer Batterie und einer Glühbirne für eine Taschenlampe zusammenbauen. Als Indikator für das Magnetfeld, seine Richtung und Intensität können Sie den üblichen Kompass verwenden.

Gleichstrommagnetfeld

Wie Sie wissen, zeigt der Kompass die Richtung nach Norden. Wenn Sie die Drähte der einfachsten oben genannten Schaltung platzieren und das Licht einschalten, weicht die Kompassnadel etwas von ihrer normalen Position ab.

Durch paralleles Anschließen einer anderen Lampe können Sie den Strom im Stromkreis verdoppeln, wodurch sich der Drehwinkel des Pfeils geringfügig vergrößert. Dies deutet darauf hin, dass das Magnetfeld des Drahtes mit Strom größer geworden ist. Nach diesem Prinzip arbeiten Pfeilmessgeräte.

Wenn die Polarität beim Einschalten der Batterie umgekehrt wird, dreht sich die Kompassnadel zum anderen Ende - die Richtung des Magnetfelds in den Drähten ändert sich ebenfalls in der Richtung. Wenn der Stromkreis ausgeschaltet ist, kehrt die Kompassnadel in ihre rechtmäßige Position zurück. Es gibt keinen Strom in der Spule und es gibt kein Magnetfeld.

In all diesen Experimenten spielt der Kompass die Rolle einer Testmagnetnadel, ebenso wie die Untersuchung eines konstanten elektrischen Feldes durch eine elektrische Testladung durchgeführt wird.

Basierend auf solch einfachsten Experimenten können wir schließen, dass Magnetismus durch elektrischen Strom entsteht: Je stärker dieser Strom ist, desto stärker sind die magnetischen Eigenschaften des Leiters. Und woher kommt dann das Magnetfeld der Permanentmagnete, da niemand die Batterie mit Drähten verbunden hat?

Grundlagenforschung hat gezeigt, dass Permanentmagnetismus auf elektrischen Phänomenen beruht: Jedes Elektron befindet sich in seinem eigenen elektrischen Feld und hat elementare magnetische Eigenschaften. Nur in den meisten Substanzen werden diese Eigenschaften gegenseitig neutralisiert und bilden aus irgendeinem Grund, aus irgendeinem Grund, einen großen Magneten.

Tatsächlich ist natürlich nicht alles so primitiv und einfach, aber im Allgemeinen haben sogar Permanentmagnete aufgrund der Bewegung elektrischer Ladungen ihre wunderbaren Eigenschaften.

Und was für magnetische Linien sind das?

Magnetische Linien sind visuell zu sehen. In der Schulerfahrung, im Physikunterricht, werden Metallspäne auf ein Blatt Pappe gegossen und ein Permanentmagnet darunter platziert. Durch leichtes Tippen auf ein Blatt Pappe kann das in Abbildung 1 gezeigte Bild erzielt werden.

Abbildung 1

Es ist leicht zu erkennen, dass magnetische Kraftlinien den Nordpol verlassen und in den Süden eintreten, ohne zu brechen. Natürlich können wir sagen, dass es im Gegenteil von Süden nach Norden ist, aber es ist daher so üblich, von Norden nach Süden. Genauso wie sie einst die Richtung des Stroms von Plus nach Minus angenommen haben.

Wenn anstelle eines Permanentmagneten ein Stromdraht durch einen Karton geführt wird, zeigen Metallspäne ihn, den Leiter, das Magnetfeld. Dieses Magnetfeld hat die Form konzentrischer Kreislinien.

Um das Magnetfeld zu untersuchen, können Sie auf Sägemehl verzichten. Es reicht aus, den Testmagnetpfeil um den Stromleiter zu bewegen, um zu sehen, dass die magnetischen Kraftlinien tatsächlich geschlossene konzentrische Kreise sind. Wenn wir den Testpfeil zu der Seite bewegen, an der das Magnetfeld ihn ablenkt, kehren wir mit Sicherheit zu dem Punkt zurück, an dem wir die Bewegung gestartet haben. Ähnlich wie beim Gehen um die Erde: Wenn Sie nirgendwo hingehen, ohne sich umzudrehen, werden Sie früher oder später an denselben Ort kommen.

Abbildung 2

Gimlet-Regel

Die Richtung des Magnetfeldes eines Leiters mit Strom wird durch die Regel des Gimlets bestimmt, eines Werkzeugs zum Bohren von Löchern in einen Baum. Hier ist alles sehr einfach: Das Gimlet muss so gedreht werden, dass seine Translationsbewegung mit der Richtung des Stroms im Draht übereinstimmt. Dann zeigt die Drehrichtung des Griffs, wohin das Magnetfeld gerichtet ist.

Abbildung 3

"Der Strom kommt von uns" - das Kreuz in der Mitte des Kreises ist das Gefieder eines Pfeils, der über die Bildebene hinausfliegt, und wo "Der Strom kommt auf uns zu", wird die Pfeilspitze gezeigt, die hinter der Ebene des Blattes fliegt. Zumindest eine solche Erklärung dieser Bezeichnungen wurde im Physikunterricht in der Schule gegeben.

Die Wechselwirkung der Magnetfelder zweier Leiter mit Strom

Abbildung 4

Wenn wir die Gimlet-Regel auf jeden Leiter anwenden und dann die Richtung des Magnetfelds in jedem Leiter bestimmt haben, können wir mit Sicherheit sagen, dass Leiter mit derselben Stromrichtung angezogen werden und sich ihre Magnetfelder addieren. Leiter mit Strömen unterschiedlicher Richtung stoßen sich gegenseitig ab, ihr Magnetfeld wird kompensiert.

Induktor

Wenn der Stromleiter in Form eines Rings (einer Spule) hergestellt ist, hat er seine eigenen Magnetpole, Nord und Süd. Das Magnetfeld einer Umdrehung ist jedoch normalerweise klein. Sie können viel bessere Ergebnisse erzielen, indem Sie den Draht in Form einer Spule umwickeln. Ein solcher Teil wird Induktor oder einfach Induktivität genannt. In diesem Fall addieren sich die Magnetfelder der einzelnen Windungen und verstärken sich gegenseitig.

Abbildung 5

Abbildung 5 zeigt, wie die Summe der Magnetfelder der Spule ermittelt wird. Es scheint möglich zu sein, jede Umdrehung von der Quelle aus mit Strom zu versorgen, wie in Abb. 5.2, aber es ist einfacher, die Windungen in Reihe zu schalten (wickeln Sie sie einfach mit einem Draht ein).

Es ist ziemlich offensichtlich, dass das Magnetfeld umso stärker ist, je mehr Windungen die Spule hat. Das Magnetfeld hängt auch vom Strom durch die Spule ab. Daher ist es legitim, die Fähigkeit einer Spule, ein Magnetfeld zu erzeugen, einfach durch Multiplizieren des Stroms durch die Spule (A) mit der Anzahl der Windungen (W) zu bewerten. Dieser Wert wird als Amperewindung bezeichnet.

Kernspule

Das von der Spule erzeugte Magnetfeld kann erheblich erhöht werden, wenn ein Kern aus ferromagnetischem Material in die Spule eingeführt wird. Fig. 6 zeigt eine Tabelle mit der relativen magnetischen Permeabilität verschiedener Substanzen.

Zum Beispiel wird Transformatorstahl das Magnetfeld ungefähr 7..7.5 Tausendmal stärker machen als ohne einen Kern. Mit anderen Worten, innerhalb des Kerns dreht das Magnetfeld die Magnetnadel 7.000-mal stärker (dies kann man sich nur mental vorstellen).

Abbildung 6

Paramagnetische und diamagnetische Substanzen befinden sich oben in der Tabelle. Die relative magnetische Permeabilität µ ist relativ zum Vakuum angegeben. Folglich verstärken paramagnetische Substanzen das Magnetfeld geringfügig, während diamagnetische Substanzen leicht schwächen.Im Allgemeinen haben diese Substanzen keine besondere Wirkung auf das Magnetfeld. Bei hohen Frequenzen werden manchmal Messing- oder Aluminiumkerne verwendet, um die Konturen anzupassen.

Am Ende der Tabelle befinden sich ferromagnetische Substanzen, die das Magnetfeld der Spule mit Strom erheblich verstärken. So wird beispielsweise ein Kern aus Transformatorstahl das Magnetfeld genau 7.500-mal stärker machen.

Wie und wie man das Magnetfeld misst

Wenn Einheiten zur Messung elektrischer Größen benötigt wurden, wurde die Elektronenladung als Referenz herangezogen. Aus der Ladung eines Elektrons wurde eine sehr reale und sogar greifbare Einheit gebildet - ein Anhänger, und auf seiner Grundlage stellte sich heraus, dass alles einfach war: Ampere, Volt, Ohm, Joule, Watt, Farad.

Und was kann als Ausgangspunkt für die Messung von Magnetfeldern genommen werden? Irgendwie ist die Anlagerung an das Magnetfeld des Elektrons sehr problematisch. Daher wird ein Leiter als Maßeinheit für den Magnetismus verwendet, durch den ein Gleichstrom von 1 A fließt.

Magnetfeldeigenschaften

Das Hauptmerkmal ist die Spannung (H). Es zeigt, mit welcher Kraft das Magnetfeld auf den oben genannten Prüfleiter wirkt, wenn es im Vakuum auftritt. Das Vakuum soll den Einfluss der Umgebung ausschließen, daher gilt diese charakteristische Spannung als absolut sauber. Ampere pro Meter (a / m) wird als Spannungseinheit genommen. Eine solche Spannung tritt in einem Abstand von 16 cm vom Leiter auf, entlang dessen 1A Strom fließt.

Die Feldstärke spricht nur für die theoretische Fähigkeit des Magnetfeldes. Die tatsächliche Handlungsfähigkeit spiegelt einen anderen Wert der magnetischen Induktion wider (B). Sie zeigt die reale Kraft, mit der das Magnetfeld auf einen Leiter mit einem Strom von 1A wirkt.

Abbildung 7

Wenn ein Strom von 1A in einem 1 m langen Leiter fließt und dieser mit einer Kraft von 1 N (102 G) herausgedrückt (angezogen) wird, heißt es, dass die Größe der magnetischen Induktion an diesem Punkt genau 1 Tesla beträgt.

Die magnetische Induktion ist eine Vektorgröße. Zusätzlich zum numerischen Wert hat sie eine Richtung, die immer mit der Richtung der Testmagnetnadel im untersuchten Magnetfeld übereinstimmt.

Abbildung 8

Die Einheit der magnetischen Induktion ist Tesla (TL), obwohl in der Praxis häufig eine kleinere Einheit von Gauß verwendet wird: 1 TL = 10.000 G. Ist es viel oder wenig? Das Magnetfeld in der Nähe eines starken Magneten kann mehrere T erreichen, in der Nähe der Magnetnadel des Kompasses nicht mehr als 100 G, das Erdmagnetfeld in der Nähe der Oberfläche beträgt etwa 0,01 G oder sogar weniger.

Magnetfluss

Der magnetische Induktionsvektor B charakterisiert das Magnetfeld nur an einem Punkt im Raum. Um die Wirkung eines Magnetfeldes in einem bestimmten Raum zu bewerten, wird ein anderes Konzept wie der Magnetfluss (Φ) eingeführt.

Tatsächlich repräsentiert es die Anzahl der magnetischen Induktionslinien, die durch einen bestimmten Raum durch einen bestimmten Bereich verlaufen: Φ = B * S * cosα. Dieses Bild kann in Form von Regentropfen dargestellt werden: Eine Linie ist ein Tropfen (B) und zusammen ist es der magnetische Fluss Φ. Auf diese Weise werden Leistungsmagnetleitungen einzelner Spulenwindungen zu einem gemeinsamen Strom verbunden.

Abbildung 9

Im SI-System wird Weber (Wb) als Einheit des magnetischen Flusses genommen. Ein solcher Fluss tritt auf, wenn eine Induktion von 1 T auf eine Fläche von 1 m² wirkt.

Magnetkreis

Der Magnetfluss in verschiedenen Geräten (Motoren, Transformatoren usw.) verläuft in der Regel auf eine bestimmte Weise, die als Magnetkreis oder einfach als Magnetkreis bezeichnet wird. Wenn der Magnetkreis geschlossen ist (der Kern des Ringtransformators), ist sein Widerstand gering, der Magnetfluss verläuft ungehindert und ist im Kern konzentriert. Die folgende Abbildung zeigt Beispiele für Spulen mit geschlossenen und offenen Magnetkreisen.

Abbildung 10

Magnetkreiswiderstand

Aber der Kern kann geschnitten und ein Stück herausgezogen werden, um einen magnetischen Spalt zu bilden. Dies erhöht den magnetischen Gesamtwiderstand der Schaltung, verringert daher den Magnetfluss und verringert im Allgemeinen die Induktion im gesamten Kern.Es ist das gleiche wie das Löten von viel Widerstand in einem Stromkreis.

Abbildung 11.

Wenn der resultierende Spalt mit einem Stück Stahl geschlossen wird, stellt sich heraus, dass ein zusätzlicher Abschnitt mit einem niedrigeren Magnetwiderstand parallel zum Spalt angeschlossen wurde, wodurch der gestörte Magnetfluss wiederhergestellt wird. Dies ist einem Shunt in Stromkreisen sehr ähnlich. Übrigens gibt es auch ein Gesetz für den Magnetkreis, das als Ohmsches Gesetz für den Magnetkreis bezeichnet wird.

Abbildung 12.

Der Hauptteil des Magnetflusses fließt durch den Magnetshunt. Dieses Phänomen wird bei der magnetischen Aufzeichnung von Audio- oder Videosignalen verwendet: Die ferromagnetische Schicht des Bandes bedeckt den Spalt im Kern der Magnetköpfe, und der gesamte Magnetfluss wird durch das Band geschlossen.

Die Richtung des von der Spule erzeugten Magnetflusses kann nach der Regel der rechten Hand bestimmt werden: Wenn vier ausgestreckte Finger die Stromrichtung in der Spule anzeigen, zeigt der Daumen die Richtung der Magnetlinien an, wie in Abbildung 13 dargestellt.

 

Abbildung 13.

Es wird angenommen, dass magnetische Linien den Nordpol verlassen und in den Süden gehen. Daher zeigt der Daumen in diesem Fall die Position des Südpols an. Überprüfen Sie, ob dies der Fall ist. Sie können die Kompassnadel erneut verwenden.

Wie der Elektromotor funktioniert

Es ist bekannt, dass Elektrizität Licht und Wärme erzeugen und an elektrochemischen Prozessen teilnehmen kann. Nachdem Sie sich mit den Grundlagen des Magnetismus vertraut gemacht haben, können Sie über die Funktionsweise von Elektromotoren sprechen.

Elektromotoren können eine sehr unterschiedliche Konstruktion, Leistung und Funktionsweise haben: zum Beispiel Gleich- und Wechselstrom, Stufe oder Kollektor. Bei all den verschiedenen Konstruktionen basiert das Funktionsprinzip auf dem Zusammenspiel der Magnetfelder von Rotor und Stator.

Um diese Magnetfelder zu erhalten, wird Strom durch die Wicklungen geleitet. Je größer der Strom und je höher die magnetische Induktion eines externen Magnetfelds ist, desto stärker ist der Motor. Magnetkerne werden verwendet, um dieses Feld zu verstärken, so dass Elektromotoren so viele Stahlteile enthalten. Einige Gleichstrommotormodelle verwenden Permanentmagnete.

Abbildung 14.

Hier kann man sagen, alles ist klar und einfach: Sie haben einen Strom durch den Draht geleitet und ein Magnetfeld empfangen. Durch die Wechselwirkung mit einem anderen Magnetfeld bewegt sich dieser Leiter und führt sogar mechanische Arbeiten aus.

Die Drehrichtung kann durch die Regel der linken Hand bestimmt werden. Wenn vier ausgestreckte Finger die Richtung des Stroms im Leiter anzeigen und die magnetischen Linien in Ihre Handfläche eintreten, zeigt der gebogene Daumen die Richtung des Ausstoßes des Leiters in einem Magnetfeld an.

Fortsetzung: Induktivitäten und Magnetfelder. Teil 2. Elektromagnetische Induktion und Induktivität