Induktorit ja magneettikentät

Tarinan jälkeen kondensaattoreiden käytöstä Olisi loogista puhua toisesta passiivisten radioelementtien edustajasta - induktoreista. Mutta tarina heistä on aloitettava kaukaa, muistaaksesi magneettikentän olemassaolon, koska kelat toimivat magneettikentällä, joka ympäröi ja läpäisee kelat, ja se on magneettikentässä, useimmiten vuorotteleva. Lyhyesti sanottuna, tämä on heidän elinympäristönsä.

Magnetismi aineen ominaisuutena

Magnetismi on yksi aineen, kuten esimerkiksi massan tai sähkökentän, tärkeimmistä ominaisuuksista. Magneettisuuden ilmiöt, kuten sähkö, ovat kuitenkin tunnetut jo kauan, vasta silloin tiede ei voinut selittää näiden ilmiöiden ydintä. Ymmärrettämätöntä ilmiötä kutsuttiin "magnetismiksi" Magnesian kaupungin nimellä, joka oli kerran Vähä-Aasiassa. Pysyviä magneetteja saatiin lähistöllä louhitusta malmista.

Mutta tämän artikkelin mukaiset kestomagneetit eivät ole erityisen mielenkiintoisia. Heti kun luvattiin puhua induktoreista, puhumme todennäköisesti sähkömagneettisuudesta, koska ei ole kaukana salaisuudesta, että jopa virtajohdon ympärillä on magneettikenttä.

Nykyaikaisissa olosuhteissa on melko helppoa tutkia magnetismin ilmiötä ainakin alkuvaiheessa. Tätä varten sinun on koottava yksinkertainen sähköpiiri akusta ja lampusta taskulampulle. Magneettikentän, sen suunnan ja voimakkuuden indikaattorina voit käyttää tavallista kompassia.

DC-magneettikenttä

Kuten tiedät, kompassi näyttää suunnan pohjoiseen. Jos sijoitat yllä mainitun yksinkertaisimman piirin johdot ja kytket valon päälle, kompassin neula poikkeaa jonkin verran normaaliasennosta.

Kytkemällä toinen polttimo rinnakkain voit kaksinkertaistaa virtapiirissä, mikä tekee nuolen kiertymiskulman hiukan kasvavaksi. Tämä viittaa siihen, että viiran kanssa käytetyn langan magneettikenttä on kasvanut. Juuri tällä periaatteella nuolen mittauslaitteet toimivat.

Jos akun käynnistyksen napaisuus vaihtuu, kompassin neula kääntyy toiseen päähän - myös johtimissa olevan magneettikentän suunta muuttui suunnassa. Kun virta katkaistaan, kompassin neula palaa oikeaan asentoonsa. Käämissä ei ole virtaa eikä magneettikentää.

Kaikissa näissä kokeissa kompassi on testimagneettineulan rooli, aivan kuten vakio sähkökentän tutkimus suoritetaan testisähkövarauksella.

Tällaisten yksinkertaisimpien kokeiden perusteella voimme päätellä, että magneettisuus syntyy sähkövirran takia: mitä voimakkaampi tämä virta on, sitä vahvemmat johtimen magneettiset ominaisuudet ovat. Ja mistä sitten kestomagneettien magneettikenttä tulee, koska kukaan ei kytkenyt akkua johtoihin niihin?

Tieteellinen perustutkimus on osoittanut, että kestomagneetti perustuu sähköisiin ilmiöihin: jokaisella elektronilla on oma sähkökentänsä ja sillä on elementtisiä magneettisia ominaisuuksia. Vain useimmissa aineissa nämä ominaisuudet ovat neutraloituneet vastavuoroisesti, ja jostain syystä jostain syystä ne muodostavat yhden suuren magneetin.

Tietysti kaikki ei ole niin primitiivistä ja yksinkertaista, mutta yleensä jopa kestomagneeteilla on upeat ominaisuutensa, jotka johtuvat sähkövarausten liikkeestä.

Ja millaisia ​​magneettisia linjoja ne ovat?

Magneettiset viivat voidaan nähdä visuaalisesti. Koulukokemuksessa, fysiikan oppitunneissa, metalliharkot kaadetaan pahvilevylle ja pysyvä magneetti asetetaan alapuolelle. Napauttamalla kevyesti pahvilevyä, saadaan kuvan 1 mukainen kuva.

Kuvio 1

On helppo nähdä, että magneettiset voimalinjat lähtevät pohjoisnavasta ja tulevat etelään rikkomatta. Voimme tietysti sanoa, että se on päinvastoin etelästä pohjoiseen, mutta siksi on niin tavanomaista pohjoisesta etelään. Samoin kuin ne kerran hyväksyivät virran suunnan plussta miinus -suhteeseen.

Jos kestomagneetin sijasta virtalanka johdetaan pahvin läpi, niin metalliset viilat osoittavat sen, johtimen, magneettikentän. Tämä magneettikenttä on muodoltaan samankeskinen pyöreä viiva.

Voit tutkia magneettikentän ilman sahanpurua. Riittää, kun siirrät testimagneettista nuolet virtajohtimen ympäri nähdäksesi, että magneettiset voimalinjat ovat todella suljettuja samankeskisiä ympyröitä. Jos siirrämme testinuolen sivulle, johon magneettikenttä suuntaa sen, palaamme varmasti samaan kohtaan, josta liike alkoi. Samoin kuin kävely ympäri maata: jos et mene minnekään kääntämättä, tulet ennemmin tai myöhemmin samaan paikkaan.

Kuvio 2

Gimlet-sääntö

Virtajohtimen magneettikentän suunta määräytyy vaijerin, puun reikien poraustyökalun, säännön mukaan. Kaikki on täällä hyvin yksinkertaista: Kiila-akselia on pyöritettävä niin, että sen translaatioliike vastaa langan virran suuntaa, sitten kahvan pyörimissuunta näyttää mihin magneettikenttä on suunnattu.

Kuvio 3

”Virta tulee meiltä” - ympyrän keskellä oleva risti on kuvan tason yli lentävän nuolen höyhen, ja missä ”Virta tulee kohti meitä”, nuolen kärki, joka lentää arkin tason takia. Ainakin tällainen selitys näistä nimityksistä annettiin fysiikan tunneissa koulussa.

Kahden johtimen magneettikentän vuorovaikutus virran kanssa

Kuvio 4

Jos sovellamme jousen kiertosääntöä jokaiselle johtimelle, määritettyään jokaisessa johtimessa olevan magneettikentän suunnan voimme varmuudella sanoa, että johtimet, joilla on sama virran suunta, vetäytyvät ja niiden magneettikentät laskevat yhteen. Eri suuntiin kulkevat johtimet ovat toisiaan vasten, niiden magneettikenttä kompensoidaan.

IC

Jos virtajohdin on tehty renkaan (kelan) muodossa, niin sillä on omat magneettinavat, pohjoisessa ja etelässä. Mutta yhden kierroksen magneettikenttä on yleensä pieni. Voit saavuttaa paljon parempia tuloksia kääntämällä lanka kelan muotoon. Sellaista osaa kutsutaan induktoriksi tai yksinkertaisesti induktanssiksi. Tässä tapauksessa yksittäisten käännösten magneettikentät laskevat yhteen, vahvistaen toisiaan.

Kuvio 5

Kuvio 5 näyttää kuinka saada aikaan kelan magneettikentien summa. Näyttää olevan mahdollista antaa virta jokaiselle käänteelle lähteestään, kuten kuviossa 2 esitetään. 5.2, mutta kääntöjen kytkeminen sarjaan on helpompaa (kääri ne vain yhdellä langalla).

On aivan selvää, että mitä enemmän käämi kääntyy, sitä voimakkaampi on sen magneettikenttä. Lisäksi magneettikenttä riippuu myös kelan läpi kulkevasta virrasta. Siksi on perusteltua arvioida kelan kyky luoda magneettikenttä yksinkertaisesti kertomalla kelan (A) läpi kulkeva virta kierrosten määrällä (W). Tätä arvoa kutsutaan ampeeriksi.

Ydinkela

Kelan tuottamaa magneettikenttää voidaan lisätä merkittävästi, jos kelaan johdetaan ferromagneettisen materiaalin ydin. Kuvio 6 esittää taulukon, jossa on esitetty eri aineiden suhteellinen magneettinen läpäisevyys.

Esimerkiksi muuntajateräs tekee magneettikentän suunnilleen 7..7.5 tuhatta kertaa vahvemmaksi kuin ytimen puuttuessa. Toisin sanoen ytimen sisällä magneettikenttä pyörii magneettineulaa 7000 kertaa voimakkaammin (tämä voidaan kuvitella vain henkisesti).

Kuvio 6

Paramagneettiset ja diamagneettiset aineet sijaitsevat taulukon yläosassa. Suhteellinen magneettinen läpäisevyys µ on osoitettu suhteessa tyhjiöön. Näin ollen paramagneettiset aineet parantavat hiukan magneettikenttää, kun taas diamagneettiset aineet heikentävät hieman.Näillä aineilla ei yleensä ole erityistä vaikutusta magneettikentään. Vaikka korkeilla taajuuksilla messinkiä tai alumiinisydämiä käytetään joskus ääriviivojen säätämiseen.

Pöydän alaosassa on ferromagneettisia aineita, jotka parantavat merkittävästi kelan magneettikentää virralla. Joten esimerkiksi muuntajateräksestä valmistettu sydän tekee magneettikentän voimakkaammaksi tarkalleen 7500 kertaa.

Kuinka ja miten mitata magneettikenttä

Kun tarvittiin yksiköitä mittaamaan sähkömääriä, elektronin varaus otettiin referenssiksi. Elektronin - riipuksen varauksesta muodostettiin hyvin todellinen ja jopa konkreettinen yksikkö, ja sen perusteella kaikki osoittautui yksinkertaiseksi: ampeeri, volttia, ohmia, joulea, wattia, faradia.

Ja mitä voidaan pitää lähtökohtana magneettikentien mittaamiselle? Jotenkin kiinnittyminen elektronin magneettikentään on erittäin ongelmallista. Siksi johdin hyväksytään magneettisuuden mittayksiköksi, jonka läpi virtaa 1 A: n tasavirta.

Magneettikenttäominaisuudet

Tärkein tällainen ominaisuus on jännitys (H). Se osoittaa, millä voimalla magneettikenttä vaikuttaa yllä mainittuun testijohtimeen, jos se tapahtuu tyhjiössä. Tyhjiön tarkoituksena on sulkea pois ympäristön vaikutukset, joten tätä ominaisuutta - jännitystä pidetään ehdottoman puhtaana. Ampereina metriä kohti (a / m) pidetään jännitysyksikönä. Tällainen jännitys esiintyy 16 cm: n etäisyydellä johtimesta, jota pitkin 1A-virta virtaa.

Kenttävoimakkuus puhuu vain magneettikentän teoreettisesta kyvystä. Todellinen toimintakyky heijastaa magneettisen induktion eri arvoa (B). Juuri hän näyttää todellisen voiman, jolla magneettikenttä vaikuttaa johtimeen, jonka virta on 1A.

Kuvio 7

Jos 1A virta virtaa 1 m pitkässä johtimessa ja se työnnetään ulos (vedetään) voimalla 1 N (102 G), he sanovat, että magneettisen induktion suuruus tässä vaiheessa on tarkalleen 1 Tesla.

Magneettinen induktio on vektorimäärä, numeerisen arvon lisäksi sillä on myös suunta, joka aina osuu testattavan magneettineulan suuntaan tutkittavassa magneettikentässä.

Kuvio 8

Magneettisen induktion yksikkö on Tesla (TL), vaikka käytännössä käytetään usein pienempää Gauss-yksikköä: 1TL = 10 000G. Onko se paljon vai vähän? Magneettikenttä lähellä voimakasta magneettia voi saavuttaa useita T, lähellä kompassin magneettineulaa enintään 100 G, maan magneettikenttä lähellä pintaa on noin 0,01 G tai jopa alhaisempi.

Magneettinen virtaus

Magneettinen induktiovektori B kuvaa magneettikenttää vain yhdessä avaruuspisteessä. Jotta voitaisiin arvioida magneettikentän vaikutusta tietyssä tilassa, otetaan käyttöön toinen käsite, kuten magneettinen vuo (Φ).

Itse asiassa se edustaa tietyn tilan läpi jonkin alueen läpi kulkevien magneettisen induktion linjojen lukumäärää: Φ = B * S * cosα. Tämä kuva voidaan esittää sadepisaran muodossa: yksi rivi on yksi pisara (B), ja yhdessä se on magneettinen virta Φ. Näin yksittäisten kelan kääntöjen tehomagneettiset linjat yhdistetään yhteiseen virtaan.

Kuvio 9

SI-järjestelmässä Weberiä (Wb) pidetään magneettisen vuon yksiköinä, sellaista vuota esiintyy, kun 1 T: n induktio vaikuttaa 1 neliömetrin pinta-alaan.

Magneettinen piiri

Eri laitteiden (moottorit, muuntajat, jne.) Magneettinen vuota kulkee pääsääntöisesti tietyllä tavalla, jota kutsutaan magneettiseksi piiriksi tai yksinkertaisesti magneettiseksi piiriksi. Jos magneettinen piiri on suljettu (rengasmuuntajan ydin), niin sen vastus on pieni, magneettinen virta kulkee esteettömästi, keskittyy ytimen sisään. Alla olevassa kuvassa on esimerkkejä käämeistä, joissa on suljettu ja avoin magneettinen piiri.

Kuvio 10

Magneettisen piirin vastus

Mutta ydin voidaan leikata ja pala voidaan vetää siitä irti magneettisen raon muodostamiseksi. Tämä lisää piirin yleistä magneettista vastustusta, vähentää siten magneettivuota ja yleensä pienentää induktiota koko ytimessä.Se on sama kuin juotaa paljon vastusta sähköpiiriin.

Kuvio 11.

Jos tulokseksi saatu rako tukitaan teräspalalla, osoittautuu, että raon suuntaan oli kytketty lisäosa, jolla oli alhaisempi magneettinen vastus, mikä palauttaisi häiriintyneen magneettisen vuon. Tämä on hyvin samanlainen kuin shuntti sähköpiireissä. Muuten, magneettipiirille on myös laki, jota kutsutaan magneettipiirin Ohmin lakiksi.

Kuvio 12.

Suurin osa magneettivuosta kulkee magneettisen sekoituksen läpi. Juuri tätä ilmiötä käytetään ääni- tai videosignaalien magneettisessa tallennuksessa: nauhan ferromagneettinen kerros peittää magneettikärkien ytimen raon ja koko magneettinen virta suljetaan nauhan läpi.

Kelan tuottaman magneettisen vuon suunta voidaan määrittää oikean käden sääntöä noudattaen: jos neljä ojennettua sormea ​​osoittaa kelassa olevan virran suunnan, peukalo näyttää magneettiviivojen suunnan, kuten kuvassa 13 esitetään.

 

Kuvio 13.

Uskotaan, että magneettiset linjat lähtevät pohjoisnavasta ja menevät etelään. Siksi peukalo tässä tapauksessa osoittaa etelänavan sijainnin. Tarkista, onko näin, voit käyttää uudelleen kompassin neulalla.

Kuinka sähkömoottori toimii

Tiedetään, että sähkö voi luoda valoa ja lämpöä, osallistua sähkökemiallisiin prosesseihin. Tutkittuaan magnetismin perusteet, voit puhua kuinka sähkömoottorit toimivat.

Sähkömoottoreilla voi olla hyvin erilainen rakenne, teho ja toimintaperiaate: esimerkiksi tasa- ja vaihtovirta, askel tai kollektori. Mutta kaikissa malleissa toimintaperiaate perustuu roottorin ja staattorin magneettikentien vuorovaikutukseen.

Näiden magneettikenttien saamiseksi virta johdetaan käämien läpi. Mitä suurempi virta ja sitä korkeampi ulkoisen magneettikentän magneettinen induktio on, sitä voimakkaampi moottori on. Magneettisia ytimiä käytetään vahvistamaan tätä kenttää, joten sähkömoottoreissa on niin paljon teräsosia. Joissakin tasavirtamoottorimalleissa käytetään kestomagneetteja.

Kuvio 14.

Täällä voit sanoa, että kaikki on selkeää ja yksinkertaista: he läpäisivät virran johtimen läpi, saivat magneettikentän. Vuorovaikutus toisen magneettikentän kanssa saa tämän johtimen liikkumaan ja jopa suorittamaan mekaanista työtä.

Pyörimissuunta voidaan määrittää vasemman käden säännöllä. Jos neljä ojennettua sormea ​​osoittavat virran suunnan johtimessa ja magneettiset viivat tulevat kämmenellesi, taivutettu peukalo osoittaa johtimen poistumissuunnan magneettikentässä.

Jatkuu: Induktorit ja magneettikentät. Osa 2. Sähkömagneettinen induktio ja induktanssi