Induktorer och magnetfält

Efter historien om användning av kondensatorer Det skulle vara logiskt att prata om en annan representant för passiva radioelement - induktorer. Men berättelsen om dem måste börja långt ifrån, för att komma ihåg existensen av ett magnetfält, eftersom det är magnetfältet som omger och penetrerar spolarna, det är i ett magnetfält, ofta omväxlande, att spolarna fungerar. Kort sagt, detta är deras livsmiljö.

Magnetism som egendom för materien

Magnetism är en av materiens viktigaste egenskaper såväl som till exempel massa eller elektriskt fält. Magnetismens fenomen har emellertid, som elektricitet, varit kända under lång tid, först då vetenskapen inte kunde förklara essensen av dessa fenomen. Ett obegripligt fenomen kallades "magnetism" med namnet staden Magnesia, som en gång var i Mindre Asien. Det var från malm som bryts i närheten som permanentmagneter erhölls.

Men de permanenta magneterna inom ramen för denna artikel är inte särskilt intressanta. Så snart det lovades att prata om induktorer kommer vi troligtvis att prata om elektromagnetism, eftersom det är långt ifrån en hemlighet att även runt en tråd med ström finns det ett magnetfält.

Under moderna förhållanden är det ganska lätt att undersöka fenomenet magnetism på den initiala, åtminstone nivån. För att göra detta måste du montera en enkel elektrisk krets från ett batteri och en lampa för en ficklampa. Som en indikator på magnetfältet, dess riktning och intensitet kan du använda den vanliga kompassen.

DC magnetfält

Som du vet visar kompassen riktningen mot norr. Om du placerar ledningarna i den enklaste kretsen som nämns ovan och slår på ljuset kommer kompassnålen att avvika något från sitt normala läge.

Genom att ansluta en annan glödlampa parallellt kan du fördubbla strömmen i kretsen, vilket gör att pilens rotationsvinkel ökar något. Detta antyder att trådens magnetfält med ström har blivit större. Det är på denna princip som pilmätinstrument fungerar.

Om polariteten för att slå på batteriet vänds, kommer kompassnålen att vända till andra änden - magnetfältets riktning i trådarna ändrades också i riktning. När kretsen stängs av kommer kompassnålen att återgå till sitt rättmätiga läge. Det finns ingen ström i spolen, och det finns inget magnetfält.

I alla dessa experiment spelar kompassen rollen som en testmagnetisk nål, precis som en studie av ett konstant elektriskt fält utförs av en testelektrisk laddning.

Baserat på sådana enklaste experiment kan vi dra slutsatsen att magnetism föds på grund av elektrisk ström: ju starkare denna ström, desto starkare är magnetiska egenskaper hos ledaren. Och var kommer magnetfältet från permanentmagneterna ifrån, eftersom ingen ansluter batteriet med ledningar till dem?

Grundläggande vetenskaplig forskning har visat att permanent magnetism bygger på elektriska fenomen: varje elektron är i sitt eget elektriska fält och har elementära magnetiska egenskaper. Endast i de flesta ämnen neutraliseras dessa egenskaper ömsesidigt, och av någon anledning, av någon anledning, bildar de en stor magnet.

Naturligtvis är faktiskt allt inte så primitivt och enkelt, men i allmänhet har till och med permanentmagneter sina underbara egenskaper på grund av elektriska laddningar.

Och vilken typ av magnetiska linjer är de?

Magnetiska linjer kan ses visuellt. I skolan erfarenhet, i fysik lektioner, hälls metall filings på ett kartong, och en permanent magnet placeras nedan. Att lätt knacka på ett kartong kan få bilden som visas i figur 1.

Figur 1

Det är lätt att se att magnetiska kraftlinjer lämnar nordpolen och kommer in i söder, utan att bryta. Naturligtvis kan vi säga att det tvärtom är från söder till norr, men det är så vanligt, därför, från norr till söder. På samma sätt som de en gång antog strömriktningen från plus till minus.

Om, i stället för en permanentmagnet, en strömtråd passeras genom en kartong, kommer metallfiltringar att visa den, ledaren, magnetfältet. Detta magnetfält har formen av koncentriska cirkulära linjer.

För att studera magnetfältet kan du klara dig utan sågspån. Det räcker med att flytta testmagnetpilen runt strömledaren för att se att de magnetiska kraftlinjerna verkligen är slutna koncentriska cirklar. Om vi ​​flyttar testpilen till den sida där magnetfältet avleder det kommer vi säkert tillbaka till samma punkt där rörelsen började. På samma sätt som att gå runt jorden: om du går ingenstans utan att vända dig, kommer du förr eller senare att komma till samma plats.

Figur 2

Gimletregel

Riktningen för magnetfältet hos en ledare med ström bestäms av regeln för gimlet, ett verktyg för att borra hål i ett träd. Allt är mycket enkelt här: gimlet måste roteras så att dess rörelserörelse sammanfaller med strömriktningen i tråden, då visar handtags rotationsriktning var magnetfältet riktas.

Figur 3

"Strömmen kommer från oss" - korset mitt i cirkeln är fjäderdräktet av en pil som flyger bortom bilden och där "Strömmen kommer mot oss" visas spetsen på pilens flygande på grund av arkets plan. Åtminstone en sådan förklaring av dessa beteckningar gavs i fysiklektioner på skolan.

Interaktionen mellan två ledares magnetfält och ström

Figur 4

Om vi ​​tillämpar gimletregeln på varje ledare, då vi har bestämt magnetfältets riktning i varje ledare, kan vi med tillförsikt säga att ledare med samma strömriktning dras till och deras magnetfält läggs upp. Ledare med strömmar i olika riktningar är ömsesidigt avvisande, deras magnetfält kompenseras.

induktor

Om ledaren med ström är gjord i form av en ring (spole), har den sina egna magnetpoler, norr och söder. Men magnetfältet för en varv är vanligtvis litet. Du kan uppnå mycket bättre resultat genom att linda in tråden i form av en spole. En sådan del kallas en induktor eller helt enkelt en induktans. I detta fall läggs de individuella magnetfälten samman och ömsesidigt förstärker varandra.

Figur 5

Figur 5 visar hur man får summan av spolens magnetfält. Det verkar vara möjligt att driva varje varv från dess källa, såsom visas i fig. 5.2, men det är lättare att ansluta svängarna i serie (linda bara in dem med en tråd).

Det är ganska uppenbart att ju fler svängar spolen har, desto starkare är magnetfältet. Magnetfältet beror också på strömmen genom spolen. Därför är det legitimt att utvärdera en spolars förmåga att skapa ett magnetfält helt enkelt genom att multiplicera strömmen genom spolen (A) med antalet varv (W). Detta värde kallas amperevarv.

Kärnspole

Det magnetiska fältet som genereras av spolen kan ökas avsevärt om en kärna av ferromagnetiskt material införs i spolen. Figur 6 visar en tabell med den relativa magnetiska permeabiliteten för olika ämnen.

Till exempel kommer transformatorstål att göra magnetfältet ungefär 7,7,5 tusen gånger starkare än i frånvaro av en kärna. Med andra ord, inuti kärnan kommer magnetfältet att rotera magnetnålen 7 000 gånger starkare (detta kan bara föreställas mentalt).

Figur 6

Paramagnetiska och diamagnetiska ämnen finns överst på bordet. Relativ magnetisk permeabilitet µ indikeras relativt vakuum. Följaktligen förstärker paramagnetiska substanser något magnetfältet medan diamagnetiska substanser svagas något.I allmänhet har dessa ämnen inte någon speciell effekt på magnetfältet. Även om mässing eller aluminiumkärnor i höga frekvenser ibland används för att justera konturerna.

Längst ner i tabellen finns ferromagnetiska substanser som avsevärt förbättrar spolens magnetfält med ström. Så till exempel kommer en kärna av transformaterstål att göra magnetfältet starkare exakt 7 500 gånger.

Hur och hur man mäter magnetfältet

När enheter behövdes för att mäta elektriska mängder togs elektronladdningen som referens. En mycket verklig och till och med konkret enhet bildades från laddningen av en elektron - ett hänge, och på grundval av allt visade det sig vara enkelt: ampere, volt, ohm, joule, watt, farad.

Och vad kan tas som en utgångspunkt för mätning av magnetfält? På något sätt fästas till elektronfältets magnetfält är mycket problematisk. Därför adopteras en ledare som en måttenhet i magnetism, genom vilken en jämn ström på 1 A flyter.

Magnetfältegenskaper

Den huvudsakliga sådan egenskap är spänning (H). Den visar med vilken kraft magnetfältet verkar på testledaren som nämns ovan om det händer i ett vakuum. Vakuumet är avsett att utesluta miljöpåverkan, därför kännetecknas denna egenskap - spänning som absolut ren. Ampere per meter (a / m) tas som spänningsenhet. Sådan spänning uppträder på ett avstånd av 16 cm från ledaren, längs vilken 1A ström flyter.

Fältstyrkan talar endast om magnetfältets teoretiska förmåga. Den verkliga förmågan att agera speglar ett annat värde på magnetisk induktion (B). Det är hon som visar den verkliga kraften som magnetfältet verkar på en ledare med en ström av 1A.

Figur 7

Om en ström av 1A flyter i en ledare som är 1 m lång och den skjuts ut (attraheras) med en kraft av 1 N (102 G), säger de att magneten för induktionen på denna punkt är exakt 1 Tesla.

Magnetinduktion är en vektorkvantitet, utöver det numeriska värdet har den också en riktning som alltid sammanfaller med riktningen för den testmagnetiska nålen i det magnetiska fältet som studeras.

Figur 8

Enheten för magnetisk induktion är Tesla (TL), även om de i praktiken ofta använder en mindre enhet av Gauss: 1TL = 10.000 G. Är det mycket eller lite? Magnetfältet nära en kraftfull magnet kan nå flera T, nära kompassens magnetiska nål högst 100 G, jordens magnetfält nära ytan är cirka 0,01 G eller till och med lägre.

Magnetiskt flöde

Den magnetiska induktionsvektorn B kännetecknar magnetfältet vid endast en punkt i rymden. För att utvärdera effekten av ett magnetfält i ett visst utrymme införs ett annat koncept såsom magnetiskt flöde (Φ).

I själva verket representerar det antalet linjer med magnetisk induktion som passerar genom ett givet utrymme, genom något område: Φ = B * S * cosα. Denna bild kan representeras i form av regndroppar: en linje är en droppe (B), och tillsammans är det magnetiska flödet Φ. Detta är hur kraftmagnetiska linjer i enskilda spolvarv är anslutna till en gemensam ström.

Figur 9

I SI-systemet tas Weber (Wb) som enhet för magnetiskt flöde, ett sådant flöde uppstår när en induktion av 1 T verkar på ett område på 1 kvm.

Magnetkrets

Magnetflödet i olika enheter (motorer, transformatorer, etc.) passerar som regel på ett visst sätt, kallad en magnetisk krets eller helt enkelt en magnetisk krets. Om magnetkretsen är stängd (ringtransformatorns kärna), är dess motstånd liten, magnetflödet passerar obehindrat, koncentreras inuti kärnan. Figuren nedan visar exempel på spolar med stängda och öppna magnetkretsar.

Figur 10

Resistans mot magnetkrets

Men kärnan kan skäras och en bit kan dras ur den för att skapa ett magnetiskt gap. Detta kommer att öka kretsens totala magnetiska motstånd, därför minska magnetflödet och generellt minska induktionen i hela kärnan.Det är samma sak som att lödas mycket motstånd i en elektrisk krets.

Figur 11

Om det resulterande spalten stängs med ett stålstycke, visar det sig att en ytterligare sektion med lägre magnetisk motstånd är ansluten parallellt med spalten, vilket kommer att återställa det störda magnetiska flödet. Detta liknar mycket en shunt i elektriska kretsar. Förresten finns det också en lag för magnetkretsen, som kallas Ohms lag för magnetkretsen.

Figur 12.

Huvuddelen av magnetflödet kommer att gå igenom den magnetiska shunten. Det är detta fenomen som används vid magnetisk inspelning av ljud- eller videosignaler: bandets ferromagnetiska skikt täcker gapet i magnethuvudena och hela magnetflödet stängs genom bandet.

Riktningen för det magnetiska flödet som genereras av spolen kan bestämmas med hjälp av högerregeln: om fyra utsträckta fingrar indikerar strömriktningen i spolen, visar tummen riktningen för magnetlinjerna, som visas i figur 13.

 

Figur 13.

Det tros att magnetiska linjer lämnar nordpolen och går in i söder. Därför indikerar tummen i detta fall platsen för sydpolen. Kontrollera om detta är så kan du igen använda kompassnålen.

Hur elmotorn fungerar

Det är känt att el kan skapa ljus och värme, delta i elektrokemiska processer. Efter att ha bekantat dig med grunderna i magnetism kan du prata om hur elmotorer fungerar.

Elektriska motorer kan ha en helt annan design, kraft och funktionsprincip: till exempel likström, växelström, steg eller kollektor. Men med alla variationer av konstruktioner, är driftsprincipen baserad på samverkan mellan rotorns och statorns magnetfält.

För att få dessa magnetfält passeras ström genom lindningarna. Ju större ström, och ju högre magnetisk induktion av ett externt magnetfält, desto kraftigare är motorn. Magnetkärnor används för att stärka detta fält, så det finns så många ståldelar i elmotorer. Vissa DC-motormodeller använder permanentmagneter.

Figur 14

Här kan du säga, allt är klart och enkelt: de passerade en ström genom ledningen, fick ett magnetfält. Interaktion med ett annat magnetfält får denna ledare att röra sig och även utföra mekaniskt arbete.

Rotationsriktningen kan bestämmas av vänsterhandens regel. Om fyra utsträckta fingrar indikerar strömriktningen i ledaren, och magnetlinjerna kommer in i handflatan, kommer den böjda tummen att indikera ledarens utkastningsriktning i ett magnetfält.

Fortsättning: Induktorer och magnetfält. Del 2. Elektromagnetisk induktion och induktans