Induktori un magnētiskie lauki

Pēc stāsta par kondensatoru izmantošanu Būtu loģiski runāt par citu pasīvo radioelementu pārstāvi - induktoriem. Bet stāsts par viņiem būs jāsāk no tālienes, jāatceras par magnētiskā lauka esamību, jo spoles darbojas tieši magnētiskajā laukā, kas ieskauj un iekļūst spolēs, tieši magnētiskajā laukā, visbiežāk pārmaiņus. Īsāk sakot, tas ir viņu biotops.

Magnētisms kā matērijas īpašums

Magnētisms ir viena no vissvarīgākajām matērijas īpašībām, kā arī, piemēram, masa vai elektriskais lauks. Magnētisma parādības, tāpat kā elektrība, tomēr bija zināmas jau sen, tikai tad zinātne nespēja izskaidrot šo parādību būtību. Nesaprotamu fenomenu sauca par "magnētismu" ar Magnesijas pilsētas nosaukumu, kas kādreiz bija Mazāzijā. Pastāvīgos magnētus ieguva no tuvumā esošās rūdas.

Bet pastāvīgie magnēti šī raksta ietvaros nav īpaši interesanti. Tiklīdz tika solīts runāt par induktoriem, tad, visticamāk, runāsim par elektromagnētismu, jo tālu nav noslēpums, ka pat ap vadu ar strāvu ir magnētiskais lauks.

Mūsdienu apstākļos ir diezgan viegli izpētīt magnētisma parādību vismaz sākotnējā līmenī. Lai to izdarītu, jums ir jāsamontē vienkārša elektriskā ķēde no akumulatora un spuldzes lukturītim. Kā magnētiskā lauka, tā virziena un intensitātes indikatoru varat izmantot parasto kompasu.

Līdzstrāvas magnētiskais lauks

Kā jūs zināt, kompass parāda virzienu uz ziemeļiem. Ja jūs ievietojat augstāk minētās vienkāršākās shēmas vadus un ieslēdzat gaismu, kompasa adata nedaudz novirzīsies no normālā stāvokļa.

Savienojot paralēli vēl vienu spuldzi, jūs varat divkāršot strāvu ķēdē, kas bultiņas rotācijas leņķi nedaudz palielina. Tas liek domāt, ka stieples ar strāvu magnētiskais lauks ir kļuvis lielāks. Tieši uz šī principa darbojas bultas mērinstrumenti.

Ja akumulatora ieslēgšanas polaritāte tiek mainīta, tad kompasa adata pagriezīsies uz otru galu - arī magnētiskā lauka virziens vados mainījās. Kad ķēde tiek izslēgta, kompasa adata atgriezīsies pareizajā stāvoklī. Spole nav strāvas, un nav arī magnētiskā lauka.

Visos šajos eksperimentos kompass spēlē testa magnētiskās adatas lomu, tāpat kā pastāvīga elektriskā lauka izpēte tiek veikta ar testa elektrisko lādiņu.

Balstoties uz šādiem vienkāršākajiem eksperimentiem, mēs varam secināt, ka magnētisms dzimst elektriskās strāvas dēļ: jo spēcīgāka šī strāva, jo spēcīgākas ir diriģenta magnētiskās īpašības. Un no kurienes rodas pastāvīgo magnētu magnētiskais lauks, jo neviens akumulatoru ar tiem nav savienojis ar vadiem?

Fundamentāli zinātniskie pētījumi ir pierādījuši, ka pastāvīgā magnētisms ir balstīts uz elektriskām parādībām: katrs elektrons atrodas savā elektriskajā laukā un tam ir elementāras magnētiskas īpašības. Tikai lielākajā daļā vielu šīs īpašības ir savstarpēji neitralizētas, un kaut kāda iemesla dēļ kaut kāda iemesla dēļ tās veido vienu lielu magnētu.

Protams, patiesībā viss nav tik primitīvs un vienkāršs, bet kopumā pat pastāvīgajiem magnētiem ir savas brīnišķīgās īpašības, pateicoties elektrisko lādiņu kustībai.

Un kāda veida magnētiskās līnijas tās ir?

Magnētiskās līnijas var redzēt vizuāli. Pēc skolas pieredzes fizikas stundās metāla kartona materiālus lej uz kartona loksnes un zemāk ievieto pastāvīgo magnētu. Viegli pieskaroties kartona loksnei, var iegūt 1. attēlā parādīto attēlu.

1. attēls

Ir viegli redzēt, ka magnētiskās spēka līnijas atstāj ziemeļpolu un nonāk dienvidos, nesalaužot. Protams, mēs varam teikt, ka tas ir tieši pretēji - no dienvidiem uz ziemeļiem, bet tāpēc tas ir tik ierasts no ziemeļiem uz dienvidiem. Tieši tāpat kā viņi reiz pieņēma strāvas virzienu no plus līdz mīnusam.

Ja pastāvīgā magnēta vietā caur kartonu tiek izvadīts strāvas vads, tad metāla vīles parādīs to, vadītāju, magnētisko lauku. Šim magnētiskajam laukam ir koncentriskas apļveida līnijas.

Lai izpētītu magnētisko lauku, jūs varat iztikt bez zāģu skaidām. Pietiek, ja pārvietojat testa magnētisko bultiņu ap strāvas vadītāju, lai redzētu, ka spēka magnētiskās līnijas patiešām ir slēgti koncentriski apļi. Ja mēs pārvietojam testa bultiņu uz to pusi, kur magnētiskais lauks to novirza, mēs noteikti atgriezīsimies tajā pašā vietā, kur sākās kustība. Līdzīgi, kā staigājot pa Zemi: ja nekur nedodaties, negriežoties, tad agrāk vai vēlāk jūs nonāksit tajā pašā vietā.

2. attēls

Gimlet noteikums

Diriģenta ar strāvu magnētiskā lauka virzienu nosaka gredzena noteikums - rīks caurumu urbšanai kokā. Šeit viss ir ļoti vienkāršs: ritentiņš jāpagriež tā, lai tā translācijas kustība sakristu ar strāvas virzienu vadā, tad roktura rotācijas virziens parādīs, kur tiek virzīts magnētiskais lauks.

3. attēls

“Pašreizējā nāk no mums” - krusts apļa vidū ir bultiņas plūme, kas lido pāri attēla plaknei, un tur, kur “Strāva nāk pret mums”, tiek parādīts bultiņas gals, kas lido lapas dēļ. Vismaz šāds šo apzīmējumu skaidrojums tika sniegts fizikas stundās skolā.

Divu vadītāju magnētisko lauku mijiedarbība ar strāvu

4. attēls

Ja mēs katram vadītājam piemērojam gredzena likumu, tad, nosakot magnētiskā lauka virzienu katrā vadītājā, mēs ar pārliecību varam teikt, ka tiek piesaistīti vadītāji ar vienādu strāvas virzienu, un to magnētiskie lauki saskaitās. Diriģenti ar dažādu virzienu strāvu ir savstarpēji atgrūdoši, to magnētiskais lauks tiek kompensēts.

Induktors

Ja diriģents ar strāvu ir izgatavots gredzena (spoles) formā, tad tam ir savi magnētiskie stabi ziemeļu un dienvidu virzienā. Bet viena pagrieziena magnētiskais lauks parasti ir mazs. Aptinot vadu spoles veidā, jūs varat sasniegt daudz labākus rezultātus. Šādu daļu sauc par induktoru vai vienkārši par induktivitāti. Šajā gadījumā atsevišķo pagriezienu magnētiskie lauki saskaita, savstarpēji pastiprinot viens otru.

5. attēls

5. attēlā parādīts, kā iegūt spoles magnētisko lauku summu. Liekas, ka katru pagriezienu var darbināt no tā avota, kā parādīts 1. att. 5.2., Bet pagriezienus ir vieglāk savienot virknē (vienkārši aptiniet tos ar vienu vadu).

Ir pilnīgi skaidrs, ka, jo vairāk spirāles pagriežas, jo spēcīgāks ir tās magnētiskais lauks. Arī magnētiskais lauks ir atkarīgs no strāvas caur spoli. Tāpēc ir likumīgi novērtēt spoles spēju radīt magnētisko lauku, vienkārši reizinot strāvu caur spoli (A) ar pagriezienu skaitu (W). Šo vērtību sauc par ampēru.

Galvenā spole

Spoles radīto magnētisko lauku var ievērojami palielināt, ja spolē ievada feromagnētiska materiāla serdi. 6. attēlā parādīta tabula ar dažādu vielu relatīvo magnētisko caurlaidību.

Piemēram, transformatora tērauds magnētisko lauku padarīs aptuveni 7..7.5 tūkstošus reižu spēcīgāku nekā bez serdes. Citiem vārdiem sakot, serdeņa iekšpusē magnētiskais lauks magnētisko adatu pagriezīs 7000 reizes spēcīgāk (to var iedomāties tikai garīgi).

6. attēls

Paramagnētiskās un diamagnētiskās vielas atrodas tabulas augšdaļā. Relatīvā magnētiskā caurlaidība µ ir norādīta attiecībā pret vakuumu. Līdz ar to paramagnētiskās vielas nedaudz pastiprina magnētisko lauku, savukārt diamagnētiskās vielas nedaudz vājina.Kopumā šīm vielām nav īpašas ietekmes uz magnētisko lauku. Lai gan augstās frekvencēs kontūru pielāgošanai dažreiz izmanto misiņa vai alumīnija serdeņus.

Tabulas apakšā ir feromagnētiskas vielas, kas ar strāvu ievērojami palielina spoles magnētisko lauku. Tā, piemēram, serde, kas izgatavota no transformatora tērauda, ​​magnētisko lauku padarīs spēcīgāku tieši 7500 reizes.

Kā un kā izmērīt magnētisko lauku

Ja bija vajadzīgas vienības elektrisko lielumu mērīšanai, par atskaites punktu tika ņemts elektronu lādiņš. No elektrona - kulona - lādiņa tika izveidota ļoti reāla un pat taustāma vienība, un uz tā pamata viss izrādījās vienkāršs: ampērs, volts, oms, džouls, vats, farads.

Un ko var uzskatīt par sākumpunktu magnētisko lauku mērīšanai? Kaut kā pievienoties elektronu magnētiskajam laukam ir ļoti problemātiski. Tāpēc diriģents tiek pieņemts par magnētisma mērvienību, caur kuru plūst 1 A līdzstrāva.

Magnētiskā lauka raksturlielumi

Galvenā šāda īpašība ir spriedze (H). Tas parāda, ar kādu spēku magnētiskais lauks iedarbojas uz iepriekš minēto testa vadītāju, ja tas notiek vakuumā. Vakuums ir paredzēts, lai izslēgtu vides ietekmi, tāpēc šī īpašība - spriedze tiek uzskatīta par absolūti tīru. Par sprieguma vienību ņem ampēru uz metru (a / m). Šāds spriegums parādās 16 cm attālumā no vadītāja, pa kuru plūst 1A strāva.

Lauka stiprums runā tikai par magnētiskā lauka teorētiskajām spējām. Reālā spēja rīkoties atspoguļo atšķirīgu magnētiskās indukcijas vērtību (B). Tieši viņa parāda reālo spēku, ar kādu magnētiskais lauks iedarbojas uz vadītāju ar strāvu 1A.

7. attēls

Ja 1 m garā vadā plūst strāva 1A, un tā tiek izstumta (piesaistīta) ar spēku 1 N (102 G), tad viņi saka, ka magnētiskās indukcijas lielums šajā brīdī ir precīzi 1 Tesla.

Magnētiskā indukcija ir vektora lielums, papildus skaitliskajai vērtībai tai ir arī virziens, kas vienmēr sakrīt ar testa magnētiskās adatas virzienu pētāmajā magnētiskajā laukā.

8. attēls

Magnētiskās indukcijas vienība ir Tesla (TL), lai gan praksē viņi bieži izmanto mazāku Gausa vienību: 1TL = 10 000G. Vai tas ir daudz vai maz? Magnētiskais lauks netālu no spēcīga magnēta var sasniegt vairākus T, kompasa magnētiskās adatas tuvumā ne vairāk kā 100 G, Zemes magnētiskais lauks netālu no virsmas ir aptuveni 0,01 G vai pat zemāks.

Magnētiskā plūsma

Magnētiskā indukcijas vektors B raksturo magnētisko lauku tikai vienā telpas telpā. Lai novērtētu magnētiskā lauka ietekmi noteiktā telpā, tiek ieviests cits jēdziens, piemēram, magnētiskā plūsma (Φ).

Faktiski tas apzīmē magnētiskās indukcijas līniju skaitu, kas iet caur doto telpu caur noteiktu laukumu: Φ = B * S * cosα. Šo attēlu var attēlot lietus pilienu veidā: viena līnija ir viens piliens (B), un kopā tā ir magnētiskā plūsma Φ. Tas ir veids, kā atsevišķu spoļu pagriezienu spēka magnētiskās līnijas tiek savienotas kopējā plūsmā.

9. attēls

SI sistēmā Weber (Wb) tiek ņemts par magnētiskās plūsmas vienību. Šāda plūsma rodas, kad indukcija 1 T iedarbojas uz laukumu 1 kv.m.

Magnētiskā ķēde

Magnētiskā plūsma dažādās ierīcēs (motoros, transformatoros utt.), Kā likums, iet noteiktā veidā, ko sauc par magnētisko ķēdi vai vienkārši magnētisko ķēdi. Ja magnētiskā ķēde ir aizvērta (gredzena transformatora kodols), tad tā pretestība ir maza, magnētiskā plūsma netraucēti pāriet, tiek koncentrēta serdeņa iekšpusē. Zemāk redzamajā attēlā parādīti spoļu piemēri ar slēgtām un atvērtām magnētiskajām ķēdēm.

10. attēls

Magnētiskās ķēdes pretestība

Bet serdi var sagriezt, un no tā var izvilkt gabalu, lai izveidotu magnētisku spraugu. Tas palielinās ķēdes kopējo magnētisko pretestību, tāpēc samazinās magnētisko plūsmu un kopumā samazina indukciju visā kodolā.Tas ir tāds pats kā lielas pretestības lodēšana elektriskajā ķēdē.

11. attēls.

Ja iegūtā sprauga tiek aizvērta ar tērauda gabalu, izrādās, ka paralēli spraugai ir pievienota papildu sekcija ar zemāku magnētisko pretestību, kas atjaunos traucēto magnētisko plūsmu. Tas ir ļoti līdzīgs šuntam elektriskās ķēdēs. Starp citu, ir arī likums par magnētisko ķēdi, ko sauc par Ohma likumu par magnētisko ķēdi.

12. attēls.

Galvenā magnētiskās plūsmas daļa izies caur magnētisko šuntu. Tieši šī parādība tiek izmantota audio vai video signālu magnētiskajā ierakstīšanā: lentes feromagnētiskais slānis pārklāj spraugu magnētisko galvu kodolā, un caur lenti tiek slēgta visa magnētiskā plūsma.

Spoles ģenerētās magnētiskās plūsmas virzienu var noteikt, izmantojot labās rokas likumu: ja četri izstiepti pirksti norāda strāvas virzienu spolē, īkšķis parāda magnētisko līniju virzienu, kā parādīts 13. attēlā.

 

13. attēls.

Tiek uzskatīts, ka magnētiskās līnijas atstāj ziemeļpolu un nonāk dienvidos. Tāpēc īkšķis šajā gadījumā norāda dienvidu pola atrašanās vietu. Pārbaudiet, vai tas tā ir, jūs varat atkal izmantot kompasa adatu.

Kā darbojas elektromotors

Ir zināms, ka elektrība var radīt gaismu un siltumu, piedalīties elektroķīmiskajos procesos. Pēc iepazīšanās ar magnētisma pamatiem var runāt par to, kā darbojas elektromotori.

Elektromotoriem var būt ļoti atšķirīgs dizains, jauda un darbības princips: piemēram, līdzstrāvas un maiņstrāvas, pakāpiena vai kolektora. Bet ar visu dažādo dizainu darbības princips ir balstīts uz rotora un statora magnētisko lauku mijiedarbību.

Lai iegūtu šos magnētiskos laukus, caur tinumiem tiek nodota strāva. Jo lielāka ir strāva un jo augstāka ir ārējā magnētiskā lauka magnētiskā indukcija, jo jaudīgāks ir motors. Šī lauka stiprināšanai tiek izmantoti magnētiskie serdeņi, tāpēc elektromotoros ir tik daudz tērauda detaļu. Dažos līdzstrāvas motoru modeļos tiek izmantoti pastāvīgie magnēti.

14. attēls.

Šeit, jūs varat teikt, viss ir skaidrs un vienkāršs: viņi caur vadu izturēja strāvu, saņēma magnētisko lauku. Mijiedarbība ar citu magnētisko lauku liek šim vadītājam kustēties un pat veikt mehānisku darbu.

Rotācijas virzienu var noteikt ar kreisās rokas likumu. Ja četri izstiepti pirksti norāda strāvas virzienu vadītājā un magnētiskās līnijas nonāk plaukstā, saliektais īkšķis norāda diriģenta izmešanas virzienu magnētiskajā laukā.

Turpinājums: Induktori un magnētiskie lauki. 2. daļa. Elektromagnētiskā indukcija un induktivitāte