Induktory a magnetická pole

Po příběhu o používání kondenzátorů Bylo by logické mluvit o dalším představiteli pasivních radioelementů - induktorech. Ale příběh o nich bude muset začít od dálky, aby si vzpomněl na existenci magnetického pole, protože to je magnetické pole, které obklopuje a proniká do cívek, to je v magnetickém poli, nejčastěji se střídajícím, že cívky pracují. Stručně řečeno, toto je jejich stanoviště.

Magnetismus jako vlastnost hmoty

Magnetismus je jednou z nejdůležitějších vlastností hmoty, například masového nebo elektrického pole. Jevy magnetismu jsou však stejně jako elektřina známy již dlouhou dobu, teprve pak věda nedokáže vysvětlit podstatu těchto jevů. Nepochopitelný jev byl nazýván „magnetismem“ jménem města Magnesia, které bylo kdysi v Malé Asii. Trvalé magnety byly získány z rudy těžené v okolí.

Trvalé magnety v rámci tohoto článku však nejsou nijak zvlášť zajímavé. Jakmile bylo slíbeno, že budeme mluvit o induktorech, budeme s největší pravděpodobností mluvit o elektromagnetismu, protože není daleko od tajemství, že i kolem drátu s proudem je magnetické pole.

V moderních podmínkách je docela snadné zkoumat fenomén magnetismu na počáteční, přinejmenším úrovni. K tomu je třeba sestavit jednoduchý elektrický obvod z baterie a žárovky pro baterku. Jako indikátor magnetického pole, jeho směru a intenzity můžete použít obvyklý kompas.

DC magnetické pole

Jak víte, kompas ukazuje směr na sever. Pokud umístíte vodiče nejjednoduššího obvodu uvedeného výše a zapnete světlo, kompasová jehla se poněkud odchýlí od své normální polohy.

Paralelním zapojením jiné žárovky můžete zdvojnásobit proud v obvodu, což mírně zvýší úhel natočení šipky. To naznačuje, že magnetické pole drátu s proudem se zvětšilo. Na tomto principu fungují měřicí přístroje se šipkami.

Pokud je polarita zapnutí baterie obrácená, pak se kompasová jehla otočí na druhý konec - směr magnetického pole v drátech se také změnil ve směru. Když je obvod vypnutý, jehla kompasu se vrátí do správné polohy. Ve cívce není žádný proud a není zde žádné magnetické pole.

Ve všech těchto experimentech hraje kompas roli testovací magnetické jehly, stejně jako je studium konstantního elektrického pole prováděno testovacím elektrickým nábojem.

Na základě těchto nejjednodušších experimentů můžeme dojít k závěru, že magnetismus se rodí v důsledku elektrického proudu: čím silnější je tento proud, tím silnější jsou magnetické vlastnosti vodiče. A odkud pochází magnetické pole permanentních magnetů, protože k nim nikdo nepřipojil baterii pomocí vodičů?

Základní vědecký výzkum dokázal, že permanentní magnetismus je založen na elektrických jevech: každý elektron je ve svém vlastním elektrickém poli a má elementární magnetické vlastnosti. Pouze ve většině látek jsou tyto vlastnosti vzájemně neutralizovány az nějakého důvodu z nějakého důvodu tvoří jeden velký magnet.

Ve skutečnosti není vše tak primitivní a jednoduché, ale obecně mají i permanentní magnety své úžasné vlastnosti díky pohybu elektrických nábojů.

A jaké jsou to magnetické čáry?

Magnetické linie lze vidět vizuálně. Ve školních zkušenostech se v hodinách fyziky kovová pilina nalije na karton a pod ní je umístěn permanentní magnet. Lehkým poklepáním na karton lze dosáhnout obrázku znázorněného na obrázku 1.

Obrázek 1

Je snadné vidět, že magnetické linie síly opouštějí severní pól a vstupují na jih bez přerušení. Samozřejmě můžeme říci, že je to naopak, od jihu na sever, ale je to tak obvyklé od severu na jih. Stejně jako kdysi přijali směr proudu od plusu k mínus.

Pokud namísto permanentního magnetu prochází proudový drát kartonem, kovový pilíř to ukáže, dirigent, magnetické pole. Toto magnetické pole má tvar soustředných kruhových čar.

Chcete-li studovat magnetické pole, můžete to udělat bez pilin. Stačí posunout zkušební magnetickou šipku kolem proudového vodiče, abyste viděli, že magnetické linie síly jsou skutečně uzavřené soustředné kruhy. Pokud přesuneme testovací šipku na stranu, kde ji magnetické pole vychýlí, určitě se vrátíme do stejného bodu, odkud pohyb začal. Podobně jako při chůzi po Zemi: Pokud nikam nechodíte bez otočení, pak dříve nebo později přijdete na stejné místo.

Obrázek 2

Gimletovo pravidlo

Směr magnetického pole vodiče s proudem je určován pravítkem, nástrojem pro vrtání děr ve stromu. Všechno je zde velmi jednoduché: prstenec se musí otáčet tak, aby se jeho translační pohyb shodoval se směrem proudu v drátu, pak směr otáčení rukojeti ukáže, kam směřuje magnetické pole.

Obrázek 3

„Proud přichází od nás“ - kříž ve středu kruhu je peřím, který letí nad rovinou obrázku, a kde „Proud přichází směrem k nám“, je zobrazen konec šípu, který letí rovinou listu. Takové vysvětlení těchto označení bylo přinejmenším poskytnuto na hodinách fyziky ve škole.

Interakce magnetických polí dvou vodičů s proudem

Obrázek 4

Použijeme-li pravidlo gimlet na každý vodič, poté, co jsme určili směr magnetického pole v každém vodiči, můžeme s jistotou říci, že jsou přitahovány vodiče se stejným směrem proudu a jejich magnetická pole se sčítají. Vodiče s proudy různých směrů jsou vzájemně odpudivé, jejich magnetické pole je kompenzováno.

Induktor

Je-li vodič s proudem vytvořen ve tvaru prstence (cívky), pak má své vlastní magnetické póly, na sever a na jih. Ale magnetické pole na jedno otočení je obvykle malé. Můžete dosáhnout mnohem lepších výsledků obalením drátu ve formě cívky. Taková část se nazývá induktor nebo prostě indukčnost. V tomto případě se magnetická pole jednotlivých zatáček sčítají a vzájemně se posilují.

Obrázek 5

Obrázek 5 ukazuje, jak získat součet magnetických polí cívky. Zdá se, že je možné napájet každou zatáčku z jejího zdroje, jak je znázorněno na Obr. 5.2, ale je snazší spojit zatáčky do série (stačí je zabalit jedním drátem).

Je zcela zřejmé, že čím více cívek má, tím silnější je její magnetické pole. Také magnetické pole závisí také na proudu skrz cívku. Proto je legitimní vyhodnotit schopnost cívky vytvořit magnetické pole jednoduše vynásobením proudu cívkou (A) počtem závitů (W). Tato hodnota se nazývá ampér - otočení.

Cívka jádra

Magnetické pole vytvářené cívkou může být významně zvýšeno, pokud je do cívky zavedeno jádro feromagnetického materiálu. Obrázek 6 ukazuje tabulku s relativní magnetickou permeabilitou různých látek.

Například transformátorová ocel způsobí, že magnetické pole bude přibližně 7,7,5 tisíckrát silnější než v nepřítomnosti jádra. Jinými slovy, uvnitř jádra magnetické pole otáčí magnetickou jehlou 7 000krát silnější (to si lze jen představit mentálně).

Obrázek 6

Paramagnetické a diamagnetické látky jsou umístěny v horní části stolu. Relativní magnetická permeabilita µ je uvedena ve vztahu k vakuu. V důsledku toho paramagnetické látky mírně zlepšují magnetické pole, zatímco diamagnetické látky mírně zeslabují.Obecně tyto látky nemají zvláštní účinek na magnetické pole. Ačkoli, u vysokých frekvencí, mosazné nebo hliníkové jádra jsou někdy zvyklá na úpravu obrysů.

Ve spodní části stolu jsou feromagnetické látky, které výrazně zvyšují magnetické pole cívky proudem. Tak například jádro vyrobené z transformátorové oceli posílí magnetické pole přesně 7 500krát.

Jak a jak měřit magnetické pole

Když byly k měření elektrických veličin zapotřebí jednotky, byl jako referenční považován náboj elektronů. Z náboje elektronu byla vytvořena velmi reálná a dokonce hmatatelná jednotka - na jejím základě se všechno ukázalo jako jednoduché: ampér, volt, ohm, joule, watt, farad.

A co lze považovat za výchozí bod pro měření magnetických polí? Nějak se připojit k magnetickému poli elektronu je velmi problematické. Proto je dirigent přijat jako měrná jednotka v magnetismu, kterou protéká stejnosměrný proud 1 A.

Vlastnosti magnetického pole

Hlavní takovou charakteristikou je napětí (H). Ukazuje, jakou silou působí magnetické pole na výše uvedený zkušební vodič, pokud k němu dojde ve vakuu. Vakuum má vyloučit vliv prostředí, proto je tato vlastnost - napětí považováno za absolutně čisté. Ampér na metr (a / m) se považuje za jednotku napětí. Takové napětí se objevuje ve vzdálenosti 16 cm od vodiče, podél kterého protéká proud 1A.

Síla pole hovoří pouze o teoretické schopnosti magnetického pole. Skutečná schopnost jednat odráží odlišnou hodnotu magnetické indukce (B). Je to ona, kdo ukazuje skutečnou sílu, se kterou magnetické pole působí na vodič s proudem 1A.

Obrázek 7

Pokud proud 1A protéká vodičem o délce 1 m a je vytlačen (přitahován) silou 1 N (102 G), pak říkají, že velikost magnetické indukce je v tomto bodě přesně 1 Tesla.

Magnetická indukce je vektorová veličina, kromě numerické hodnoty, má také směr, který se vždy shoduje se směrem zkušební magnetické jehly ve sledovaném magnetickém poli.

Obrázek 8

Jednotkou magnetické indukce je Tesla (TL), ačkoli v praxi často používají menší jednotku Gauss: 1TL = 10 000 G. Je to hodně nebo málo? Magnetické pole poblíž výkonného magnetu může dosáhnout několika T, v blízkosti magnetické jehly kompasu ne více než 100 G, magnetické pole Země poblíž povrchu je o 0,01 G nebo dokonce nižší.

Magnetický tok

Magnetický indukční vektor B charakterizuje magnetické pole pouze v jednom bodě v prostoru. Aby se vyhodnotil účinek magnetického pole v určitém prostoru, zavádí se koncept, jako je magnetický tok (Φ).

Ve skutečnosti představuje počet čar magnetické indukce procházejících daným prostorem, skrze určitou oblast: Φ = B * S * cosα. Tento obrázek lze znázornit ve formě dešťových kapek: jedna čára je jedna kapka (B) a společně je to magnetický tok Φ. Tímto způsobem jsou magnetické vedení jednotlivých cívkových závitů spojeno do společného proudu.

Obrázek 9

V systému SI je Weber (Wb) považován za jednotku magnetického toku, k takovému toku dochází, když indukce 1 T působí na plochu 1 m2.

Magnetický obvod

Magnetický tok v různých zařízeních (motory, transformátory atd.) Zpravidla prochází určitým způsobem, který se nazývá magnetický obvod nebo jednoduše magnetický obvod. Pokud je magnetický obvod uzavřen (jádro kruhového transformátoru), pak je jeho odpor malý, magnetický tok prochází bez omezení, je koncentrován uvnitř jádra. Obrázek níže ukazuje příklady cívek s uzavřenými a otevřenými magnetickými obvody.

Obrázek 10

Odpor magnetického obvodu

Jádro však může být odříznuto a z něj může být vytažen kus, aby se vytvořila magnetická mezera. Tím se zvýší celkový magnetický odpor obvodu, a proto se sníží magnetický tok a obecně se sníží indukce v celém jádru.Je to stejné jako pájení velkého odporu v elektrickém obvodu.

Obrázek 11.

Pokud je výsledná mezera uzavřena kusem oceli, ukázalo se, že paralelní k mezeře je připojena další sekce s nižším magnetickým odporem, která obnoví narušený magnetický tok. Je to velmi podobné zkratu v elektrických obvodech. Mimochodem, existuje také zákon pro magnetický obvod, který se nazývá Ohmův zákon pro magnetický obvod.

Obrázek 12.

Hlavní část magnetického toku prochází magnetickým zkratem. Je to tento jev, který se používá při magnetickém záznamu zvukových nebo obrazových signálů: feromagnetická vrstva pásky zakrývá mezeru v jádru magnetických hlav a celý magnetický tok je skrz pásku uzavřen.

Směr magnetického toku generovaného cívkou může být určen pomocí pravice pravé ruky: pokud čtyři natažené prsty ukazují směr proudu v cívce, palec ukazuje směr magnetických čar, jak je znázorněno na obrázku 13.

 

Obrázek 13.

Předpokládá se, že magnetické čáry opouštějí severní pól a jdou na jih. Proto palec v tomto případě označuje umístění jižního pólu. Zkontrolujte, zda tomu tak je, můžete znovu použít kompasovou jehlu.

Jak elektrický motor funguje

Je známo, že elektřina může vytvářet světlo a teplo, účastnit se elektrochemických procesů. Po seznámení se základy magnetismu můžete mluvit o tom, jak fungují elektrické motory.

Elektromotory mohou mít velmi odlišný design, výkon a princip fungování: například stejnosměrný a střídavý proud, krok nebo kolektor. Ale u všech různých provedení je princip činnosti založen na interakci magnetických polí rotoru a statoru.

K získání těchto magnetických polí prochází proud vinutím. Čím větší je proud a čím vyšší je magnetická indukce vnějšího magnetického pole, tím silnější je motor. K posílení tohoto pole se používají magnetická jádra, takže v elektrických motorech je tolik ocelových částí. Některé modely stejnosměrných motorů používají permanentní magnety.

Obrázek 14.

Zde můžete říci, že vše je jasné a jednoduché: prošli proudem po drátu, dostali magnetické pole. Interakce s jiným magnetickým polem způsobuje, že se tento vodič pohybuje a dokonce provádí mechanickou práci.

Směr otáčení může být určen pravidlem levé ruky. Pokud čtyři natažené prsty označují směr proudu ve vodiči a magnetické čáry vstupují do dlaně, ohnutý palec bude označovat směr vytlačení vodiče v magnetickém poli.

Pokračování: Induktory a magnetická pole. Část 2. Elektromagnetická indukce a indukčnost