Индуктори и магнетна поља

После приче о употреби кондензатора Било би логично разговарати о још једном представнику пасивних радиоелемената - индукторима. Али прича о њима мораће да почне издалека, да се сети постојања магнетног поља, јер магнетно поље које окружује и продире у завојнице, то је у магнетном пољу, најчешће наизменичном, да завојнице делују. Укратко, ово им је станиште.

Магнетизам као својство материје

Магнетизам је једно од најважнијих својстава материје, као што су, на пример, маса или електрично поље. Феномен магнетизма, међутим, као и електрицитет, били су познати већ дуже време, тек тада наука није могла да објасни суштину ових појава. Неразумљив феномен назван је "магнетизам" по имену града Магнезије који је некада био у Малој Азији. Управо из руда које се ископавају у близини добили су се трајни магнети.

Али трајни магнети у оквиру овог чланка нису нарочито занимљиви. Чим је обећано да ћемо разговарати о индукторима, тада ћемо највероватније говорити о електромагнетизму, јер још увек није тајна да чак и око жице са струјом постоји магнетно поље.

У савременим условима је прилично лако истражити феномен магнетизма на почетном, барем, нивоу. Да бисте то учинили, морате да саставите једноставан електрични круг из батерије и сијалице за лампу. Као показатељ магнетног поља, његовог правца и интензитета, можете користити уобичајени компас.

ДЦ магнетно поље

Као што знате, компас показује правац ка северу. Ако поставите жице најједноставнијег наведеног круга и укључите светло, игла компаса ће мало одступити од свог нормалног положаја.

Ако паралелно повежете другу сијалицу, можете удвостручити струју у кругу, због чега се угао ротације стрелице мало повећава. Ово сугерише да је магнетно поље жице са струјом постало веће. На овом принципу раде инструменти за мерење стрелица.

Ако се поларитет укључивања батерије преокрене, тада ће се игла компаса окренути на други крај - смер магнетног поља у жицама се такође променио у правцу. Када се круг искључи, игла компаса ће се вратити у исправни положај. Нема струје у завојници и нема магнетног поља.

У свим тим експериментима компас игра улогу тестне магнетне игле, баш као што се истраживање константног електричног поља изводи помоћу електричног набоја.

На основу тако једноставних експеримената, можемо закључити да се магнетизам рађа због електричне струје: што је јача ова струја, то су јача магнетна својства проводника. А одакле долази магнетно поље сталних магнета, јер нико није повезао батерију са жицама?

Основна научна истраживања доказала су да се трајни магнетизам заснива на електричним појавама: сваки електрон је у свом електричном пољу и има елементарна магнетна својства. Само у већини супстанци та својства се међусобно неутралишу и из неког разлога, они из једног разлога чине један велики магнет.

Наравно, у ствари све није тако примитивно и једноставно, али генерално, чак и стални магнети имају своја чудесна својства услед кретања електричних наелектрисања.

И какве су то магнетне линије?

Магнетне линије се могу видети визуелно. У школском искуству, на часовима физике метални подлошци се сипају на лим картона, а испод се ставља трајни магнет. Лаганим тапкањем по картону можете постићи слику приказану на слици 1.

Слика 1

Лако је видети да магнетне линије напуштају северни пол и улазе на јужни, не пробијајући се. Наравно, можемо рећи да је, напротив, од југа ка северу, али тако је прихваћено, дакле, од севера до југа. На исти начин као што су једном усвојили правац струје од плус ка минусу.

Ако уместо сталног магнета струјна жица прође кроз картон, тада ће се приказати метални облози, проводник, магнетно поље. Ово магнетно поље има облик концентричних кружних линија.

Да бисте проучили магнетно поље, можете учинити без пиљевине. Довољно је померити испитну магнетну стрелицу око струјног водича да бисте видели да су магнетне силе заиста затворени концентрични кругови. Ако померамо тестну стрелицу на страну где је магнетно поље преусмерено, сигурно ћемо се вратити на исту тачку одакле је кретање започело. Слично томе, као што ходате земљом: ако не идете нигде без скретања, пре или касније доћи ћете на исто место.

Слика 2

Гимлет правило

Правац магнетног поља проводника са струјом одређује се правилом гимлета, алата за бушење рупа у дрвету. Овдје је све врло једноставно: цилиндар мора бити закренут тако да се његово транслацијско кретање подудара са смјером струје у жици, тада ће смјер ротације ручке показати куда је усмјерено магнетно поље.

Слика 3

„Струја долази од нас“ - крст у средини круга је плута стреле која лети изван нивоа слике, а где „Струја долази ка нама“, приказан је врх стрелице која лете иза равнине листа. Барем, такво објашњење ових ознака дато је на часовима физике у школи.

Интеракција магнетних поља два проводника са струјом

Слика 4

Ако применимо правило гимлета на сваки проводник, одређујући правац магнетног поља у сваком проводнику, можемо са поуздањем рећи да су проводници са истим смером струје привучени и да се њихова магнетна поља сабирају. Проводници струјама различитих смерова међусобно су одбојни, магнетно поље им је компензирано.

Индуктор

Ако је проводник са струјом направљен у облику прстена (завојнице), тада има своје магнетне полове, северно и јужно. Али магнетно поље једног окрета је обично мало. Можете постићи много боље резултате тако што ћете жицу умотати у завојницу. Такав део се назива индуктор или једноставно индуктивитет. У овом се случају магнетна поља појединих окретаја сабирају, међусобно се ојачавајући.

Слика 5

На слици 5 приказано је како да се добије збир магнетних поља завојнице. Чини се да је могуће свако напајање из извора, као што је приказано на Сл. 5.2, али је лакше повезати завоје у низу (само их омотајте једном жицом).

Сасвим је очигледно да што више окретаја завојница има јаче је магнетно поље. Такође, магнетно поље такође зависи од струје кроз завојницу. Стога је законито проценити способност намотаја да створи магнетно поље једноставним множењем струје кроз завојницу (А) на број окрета (В). Ова вредност се назива ампере - окреће.

Цоре цоил

Магнетно поље које ствара завојница може се значајно повећати ако се у завојницу уведе језгра феромагнетског материјала. Слика 6 приказује табелу са релативном магнетном пропустљивошћу различитих супстанци.

На пример, трансформаторски челик ће магнетно поље отприлике 7..7.5 хиљада пута бити јачи него у одсуству језгра. Другим речима, унутар језгре, магнетно поље ће магнетну иглу закретати 7000 пута јаче (ово се може замислити само ментално).

Слика 6

Парамагнетне и дијамагнетске супстанце налазе се на врху табеле. Релативна магнетна пропустљивост µ је приказана у односу на вакуум. Сходно томе, парамагнетне материје благо појачавају магнетно поље, док дијамагнетске супстанце благо слабе.Генерално, ове материје немају посебан утицај на магнетно поље. Иако се на високим фреквенцијама понекад користе месингане или алуминијумске језгре за подешавање контура.

На дну табеле налазе се феромагнетне материје које значајно појачавају магнетно поље завојнице струјом. Тако ће, на пример, језгра направљена од трансформаторског челика, магнетно поље ојачати тачно 7.500 пута.

Како и како измерити магнетно поље

Кад су јединице потребне за мерење електричних величина, набој електрона био је узети као референца. Из набоја електрона - привеска формирана је врло стварна и чак опипљива јединица и на њеној основи је све испало једноставно: ампере, волт, охм, јоуле, ватт, фарад.

И шта се може узети као почетна тачка за мерење магнетних поља? Некако везивање за магнетно поље електрона је врло проблематично. Стога је проводник у магнетизму усвојен као мерна јединица кроз који тече директна струја од 1 А.

Карактеристике магнетног поља

Главна таква карактеристика је напетост (Х). Показује са којом силом магнетно поље делује на горе наведени испитни проводник, ако се деси у вакууму. Вакуум је намијењен искључивању утицаја околине, па се ова карактеристика - напетост сматра апсолутно чистом. Ампер по метру (а / м) узима се као јединица затезања. Таква напетост се појављује на удаљености од 16 цм од проводника, дуж које тече струја 1А.

Јачина поља говори само о теоријској способности магнетног поља. Стварна способност деловања одражава различиту вредност магнетне индукције (Б). Она показује стварну силу којом магнетно поље делује на проводник са струјом од 1А.

Слика 7

Ако струја од 1А тече у проводнику дужине 1 м и потискује га (привлачи) снагом од 1 Н (102 Г), онда кажу да је јачина магнетне индукције у овом тренутку тачно 1 Тесла.

Магнетна индукција је векторска количина, поред нумеричке вредности има и правац који се увек поклапа са правцем испитне магнетне игле у испитиваном магнетном пољу.

Слика 8

Јединица магнетне индукције је Тесла (ТЛ), мада се у пракси често користи мања Гауссова јединица: 1ТЛ = 10,000Г. Је ли пуно или мало? Магнетно поље близу моћног магнета може досећи неколико Т, близу магнетне игле компаса не више од 100 Г, а Земљино магнетно поље близу површине је око 0,01 Г или чак ниже.

Магнетни ток

Вектор магнетне индукције Б карактерише магнетно поље само у једној тачки у простору. Да би се проценио ефекат магнетног поља у одређеном простору, уведен је други концепт, као што је магнетни ток (Φ).

У ствари, представља број линија магнетне индукције које пролазе кроз одређени простор, кроз неко подручје: Φ = Б * С * цосα. Ова слика може бити представљена у облику капи за кишу: једна линија је једна кап (Б), а заједно је магнетни ток Φ. Тако се магнетне линије појединачних завоја завојнице повезују у заједнички ток.

Слика 9

У систему СИ, Вебер (Вб) се узима као јединица магнетног флукса, такав флукс настаје када индукција од 1 Т делује на површину од 1 м 2.

Магнетни круг

Магнетни ток у различитим уређајима (мотори, трансформатори, итд.) По правилу пролази на одређени начин, називајући се магнетним кругом или једноставно магнетним кругом. Ако је магнетни круг затворен (језгра прстенастог трансформатора), тада је његов отпор мали, магнетни ток неометано пролази, концентриран је у језгри. На слици испод приказани су примери завојница са затвореним и отвореним магнетним круговима.

Слика 10

Отпор магнетног кола

Али језгра се може изрезати и из ње се извући комад да се направи магнетни јаз. То ће повећати укупни магнетни отпор круга, дакле, смањити магнетни ток и генерално смањити индукцију у целом језгру.То је исто као и лемљење великог отпора у електричном кругу.

Слика 11.

Ако је настали јаз блокиран комадом челика, испада да је додатни одељак са нижим магнетним отпором повезан паралелно са зазором, чиме би се обновио поремећени магнетни ток. Ово је веома слично као скретница у електричним круговима. Узгред, постоји и закон за магнетни круг, који се назива Охмов закон о магнетном кругу.

Слика 12.

Главни део магнетног тока проћи ће кроз магнетни шант. Управо се та појава користи у магнетном снимању аудио или видео сигнала: феромагнетни слој траке покрива јаз у језгри магнетних глава, а цео магнетни ток се затвара кроз траку.

Смјер магнетског тока који генерише завојница може се одредити правилом десне руке: ако четири испружена прста показују правац струје у завојници, палац ће показати смјер магнетних линија, као што је приказано на слици 13.

 

Слика 13.

Верује се да магнетне линије напуштају северни пол и одлазе на јужни. Стога палац у овом случају означава локацију јужног пола. Проверите да ли је то тако, можете поново да користите игла за компас.

Како ради електромотор

Познато је да електрична енергија може да ствара светлост и топлоту, учествује у електрохемијским процесима. Након што се упознате са основама магнетизма, можете разговарати о раду електричних мотора.

Електрични мотори могу бити врло различитог дизајна, снаге и принципа рада: на пример, једносмерна и наизменична струја, степен или колектор. Али уз сву разноликост дизајна, принцип рада заснован је на интеракцији магнетних поља ротора и статора.

Да би се добила та магнетна поља, струја се проводи кроз намотаје. Што је већа струја и већа је магнетна индукција спољног магнетног поља, то је мотор снажнији. За појачање овог поља користе се магнетна језгра, па постоји толико челичних делова у електромоторима. Неки модели мотора са истосмјерним мотором користе трајне магнете.

Слика 14.

Овде, можете рећи, све је јасно и једноставно: прошли су струју кроз жицу, добили магнетно поље. Интеракција са другим магнетним пољем чини овај проводник да се помера, па чак и обавља механички рад.

Смјер ротације може се одредити правилом лијеве руке. Ако четири испружена прста показују правац струје у проводнику, а магнетне линије улазе у длан ваше руке, тада савијени палац означава смер избацивања проводника у магнетно поље.

Наставак: Индуктори и магнетна поља. Део 2. Електромагнетна индукција и индуктивност