Inductances et champs magnétiques

Après l'histoire sur l'utilisation des condensateurs Il serait logique de parler d'un autre représentant des radioéléments passifs - les inducteurs. Mais l'histoire à leur sujet devra partir de loin, pour se souvenir de l'existence d'un champ magnétique, car c'est le champ magnétique qui entoure et pénètre les bobines, c'est dans un champ magnétique, le plus souvent alterné, que les bobines fonctionnent. Bref, c'est leur habitat.

Le magnétisme comme propriété de la matière

Le magnétisme est l'une des propriétés les plus importantes de la matière, ainsi que, par exemple, le champ de masse ou électrique. Les phénomènes de magnétisme, cependant, comme l'électricité, sont connus depuis longtemps, alors seulement la science n'a pas pu expliquer l'essence de ces phénomènes. Un phénomène incompréhensible était appelé "magnétisme" du nom de la ville de Magnésie, qui était autrefois en Asie Mineure. C'est à partir du minerai extrait à proximité que des aimants permanents ont été obtenus.

Mais les aimants permanents dans le cadre de cet article ne sont pas particulièrement intéressants. Dès qu'il a été promis de parler d'inductances, nous parlerons très probablement d'électromagnétisme, car ce n'est pas un secret que même autour d'un fil avec du courant, il y a un champ magnétique.

Dans les conditions modernes, il est assez facile d'étudier le phénomène de magnétisme au niveau initial, au moins. Pour ce faire, vous devez assembler un simple circuit électrique à partir d'une batterie et d'une ampoule pour une lampe de poche. Comme indicateur du champ magnétique, de sa direction et de son intensité, vous pouvez utiliser la boussole habituelle.

Champ magnétique DC

Comme vous le savez, la boussole indique la direction vers le nord. Si vous placez les fils du circuit le plus simple mentionné ci-dessus et allumez la lumière, l'aiguille de la boussole s'écartera quelque peu de sa position normale.

En connectant une autre ampoule en parallèle, vous pouvez doubler le courant dans le circuit, ce qui augmente légèrement l'angle de rotation de la flèche. Cela suggère que le champ magnétique du fil avec le courant est devenu plus grand. C'est sur ce principe que fonctionnent les instruments de mesure de flèche.

Si la polarité de l'allumage de la batterie est inversée, l'aiguille de la boussole se tournera à l'autre extrémité - la direction du champ magnétique dans les fils a également changé de direction. Lorsque le circuit est éteint, l'aiguille de la boussole revient à sa position légitime. Il n'y a pas de courant dans la bobine et il n'y a pas de champ magnétique.

Dans toutes ces expériences, la boussole joue le rôle d'une aiguille magnétique de test, tout comme l'étude d'un champ électrique constant est effectuée par une charge électrique de test.

Sur la base de ces expériences les plus simples, nous pouvons conclure que le magnétisme est né du courant électrique: plus ce courant est fort, plus les propriétés magnétiques du conducteur sont fortes. Et alors d'où vient le champ magnétique des aimants permanents, puisque personne ne leur a connecté la batterie avec des fils?

Des recherches scientifiques fondamentales ont prouvé que le magnétisme permanent est basé sur des phénomènes électriques: chaque électron est dans son propre champ électrique et possède des propriétés magnétiques élémentaires. Seulement dans la plupart des substances, ces propriétés sont mutuellement neutralisées, et pour une raison quelconque, pour une raison quelconque, elles forment un grand aimant.

Bien sûr, en fait, tout n'est pas si primitif et simple, mais, en général, même les aimants permanents ont leurs merveilleuses propriétés en raison du mouvement des charges électriques.

Et de quel type de lignes magnétiques s'agit-il?

Les lignes magnétiques sont visibles visuellement. Dans l'expérience scolaire, dans les cours de physique, des limailles métalliques sont versées sur une feuille de carton et un aimant permanent est placé en dessous. En tapotant légèrement sur une feuille de carton, vous pouvez obtenir l'image illustrée à la figure 1.

Figure 1

Il est facile de voir que les lignes de force magnétiques quittent le pôle nord et entrent dans le sud, sans se casser. Bien sûr, nous pouvons dire que c'est, au contraire, du sud au nord, mais il est si habituel, donc, du nord au sud. De la même manière qu'ils ont autrefois adopté la direction du courant de plus à moins.

Si, au lieu d'un aimant permanent, un fil de courant passe à travers un carton, des limailles métalliques lui montreront, le conducteur, le champ magnétique. Ce champ magnétique a la forme de lignes circulaires concentriques.

Pour étudier le champ magnétique, vous pouvez vous passer de sciure de bois. Il suffit de déplacer la flèche magnétique de test autour du conducteur de courant pour voir que les lignes de force magnétiques sont bien des cercles concentriques fermés. Si nous déplaçons la flèche de test du côté où le champ magnétique la dévie, nous reviendrons certainement au même point d'où le mouvement a commencé. De même, comme en marchant autour de la Terre: si vous n'allez nulle part sans tourner, alors tôt ou tard vous arriverez au même endroit.

Figure 2

Règle Gimlet

La direction du champ magnétique d'un conducteur avec courant est déterminée par la règle de la vrille, un outil pour percer des trous dans un arbre. Tout est très simple ici: le vrille doit être tourné pour que son mouvement de translation coïncide avec la direction du courant dans le fil, puis le sens de rotation de la poignée montrera où le champ magnétique est dirigé.

Figure 3

"Le courant vient de nous" - la croix au milieu du cercle est le plumage d'une flèche volant au-delà du plan de l'image, et où "Le courant vient vers nous", la pointe de la flèche volant derrière le plan de la feuille est montrée. Au moins, une telle explication de ces désignations a été donnée dans les cours de physique à l'école.

L'interaction des champs magnétiques de deux conducteurs avec le courant

Figure 4

Si nous appliquons la règle de vrille à chaque conducteur, après avoir déterminé la direction du champ magnétique dans chaque conducteur, nous pouvons dire avec confiance que les conducteurs ayant la même direction de courant sont attirés et que leurs champs magnétiques s'additionnent. Les conducteurs avec des courants de directions différentes sont mutuellement répulsifs, leur champ magnétique est compensé.

Inductance

Si le conducteur avec courant est réalisé sous la forme d'un anneau (bobine), alors il a ses propres pôles magnétiques, nord et sud. Mais le champ magnétique d'un tour est généralement faible. Vous pouvez obtenir de bien meilleurs résultats en enroulant le fil sous la forme d'une bobine. Une telle pièce est appelée inductance ou simplement inductance. Dans ce cas, les champs magnétiques des spires individuelles s'additionnent, se renforçant mutuellement.

Figure 5

La figure 5 montre comment obtenir la somme des champs magnétiques de la bobine. Il semble possible d'alimenter chaque tour à partir de sa source, comme le montre la Fig. 5.2, mais il est plus facile de connecter les spires en série (il suffit de les enrouler avec un seul fil).

Il est bien évident que plus la bobine a de tours, plus son champ magnétique est fort. De plus, le champ magnétique dépend également du courant traversant la bobine. Par conséquent, il est légitime d'évaluer la capacité d'une bobine à créer un champ magnétique simplement en multipliant le courant à travers la bobine (A) par le nombre de tours (W). Cette valeur est appelée ampère-tours.

Bobine de noyau

Le champ magnétique généré par la bobine peut être considérablement augmenté si un noyau de matériau ferromagnétique est introduit dans la bobine. La figure 6 montre un tableau avec la perméabilité magnétique relative de diverses substances.

Par exemple, l'acier de transformateur rendra le champ magnétique environ 7 à 7,5 mille fois plus fort qu'en l'absence de noyau. En d'autres termes, à l'intérieur du noyau, le champ magnétique fera tourner l'aiguille magnétique 7 000 fois plus fort (cela ne peut être imaginé que mentalement).

Figure 6

Les substances paramagnétiques et diamagnétiques sont situées en haut du tableau. La perméabilité magnétique relative µ est indiquée par rapport au vide. Par conséquent, les substances paramagnétiques augmentent légèrement le champ magnétique, tandis que les substances diamagnétiques s'affaiblissent légèrement.En général, ces substances n'ont pas d'effet spécial sur le champ magnétique. Bien qu'à des fréquences élevées, des noyaux en laiton ou en aluminium soient parfois utilisés pour ajuster les contours.

Au bas du tableau se trouvent des substances ferromagnétiques qui améliorent considérablement le champ magnétique de la bobine avec le courant. Ainsi, par exemple, un noyau en acier de transformateur renforcera le champ magnétique exactement 7 500 fois.

Comment et comment mesurer le champ magnétique

Lorsque des unités étaient nécessaires pour mesurer des quantités électriques, la charge d'électrons était prise comme référence. Une unité très réelle et même tangible s'est formée à partir de la charge d'un électron - un pendentif, et sur sa base, tout s'est avéré simple: ampère, volt, ohm, joule, watt, farad.

Et que peut-on prendre comme point de départ pour mesurer les champs magnétiques? Attacher d'une manière ou d'une autre au champ magnétique de l'électron est très problématique. Par conséquent, un conducteur est adopté comme unité de mesure dans le magnétisme, à travers lequel circule un courant continu de 1 A.

Caractéristiques du champ magnétique

La principale caractéristique de ce type est la tension (H). Il montre avec quelle force le champ magnétique agit sur le conducteur d'essai mentionné ci-dessus, s'il se produit dans le vide. Le vide est destiné à exclure l'influence de l'environnement, donc cette caractéristique - la tension est considérée comme absolument propre. L'ampère par mètre (a / m) est pris comme unité de tension. Une telle tension apparaît à une distance de 16 cm du conducteur, le long de laquelle le courant 1A circule.

L'intensité du champ ne parle que de la capacité théorique du champ magnétique. La capacité réelle à agir reflète une valeur différente de l'induction magnétique (B). C'est elle qui montre la force réelle avec laquelle le champ magnétique agit sur un conducteur avec un courant de 1A.

Figure 7

Si un courant de 1A circule dans un conducteur de 1 m de long, et qu'il est poussé vers l'extérieur (attiré) avec une force de 1 N (102 G), alors ils disent que la magnitude de l'induction magnétique à ce point est exactement de 1 Tesla.

L'induction magnétique est une quantité vectorielle, en plus de la valeur numérique, elle a également une direction qui coïncide toujours avec la direction de l'aiguille magnétique d'essai dans le champ magnétique étudié.

Figure 8

L'unité d'induction magnétique est Tesla (TL), bien qu'en pratique ils utilisent souvent une plus petite unité de Gauss: 1TL = 10,000G. Est-ce beaucoup ou peu? Le champ magnétique près d'un aimant puissant peut atteindre plusieurs T, près de l'aiguille magnétique de la boussole pas plus de 100 G, le champ magnétique de la Terre près de la surface est d'environ 0,01 G ou même moins.

Flux magnétique

Le vecteur d'induction magnétique B caractérise le champ magnétique en un seul point de l'espace. Afin d'évaluer l'effet d'un champ magnétique dans un certain espace, un autre concept tel que le flux magnétique (Φ) est introduit.

En fait, il représente le nombre de lignes d'induction magnétique passant par un espace donné, à travers une certaine zone: Φ = B * S * cosα. Cette image peut être représentée sous forme de gouttes de pluie: une ligne est une goutte (B), et ensemble c'est le flux magnétique Φ. C'est ainsi que les lignes magnétiques de puissance des spires de bobines individuelles sont connectées en un flux commun.

Figure 9

Dans le système SI, Weber (Wb) est considéré comme l'unité de flux magnétique, un tel flux se produit lorsqu'une induction de 1 T agit sur une surface de 1 m².

Circuit magnétique

Le flux magnétique dans divers appareils (moteurs, transformateurs, etc.), en règle générale, passe d'une certaine manière, appelé circuit magnétique ou simplement circuit magnétique. Si le circuit magnétique est fermé (le noyau du transformateur en anneau), alors sa résistance est faible, le flux magnétique passe sans entrave, est concentré à l'intérieur du noyau. La figure ci-dessous montre des exemples de bobines avec des circuits magnétiques fermés et ouverts.

Figure 10

Résistance du circuit magnétique

Mais le noyau peut être coupé et un morceau peut en être retiré pour créer un espace magnétique. Cela augmentera la résistance magnétique globale du circuit, par conséquent, réduira le flux magnétique et réduira généralement l'induction dans le noyau entier.C’est la même chose que de souder beaucoup de résistance dans un circuit électrique.

Figure 11.

Si l'espace résultant est fermé avec un morceau d'acier, il s'avère qu'une section supplémentaire avec une résistance magnétique inférieure est connectée parallèlement à l'espace, ce qui rétablira le flux magnétique perturbé. Ceci est très similaire à un shunt dans les circuits électriques. Soit dit en passant, il existe également une loi pour le circuit magnétique, qui est appelée loi d'Ohm pour le circuit magnétique.

Figure 12.

La partie principale du flux magnétique passera par le shunt magnétique. C'est ce phénomène qui est utilisé dans l'enregistrement magnétique des signaux audio ou vidéo: la couche ferromagnétique de la bande recouvre l'espace dans le noyau des têtes magnétiques et tout le flux magnétique est fermé à travers la bande.

La direction du flux magnétique généré par la bobine peut être déterminée en utilisant la règle de la main droite: si quatre doigts tendus indiquent la direction du courant dans la bobine, le pouce affichera la direction des lignes magnétiques, comme le montre la figure 13.

 

Figure 13.

On pense que les lignes magnétiques quittent le pôle nord et vont dans le sud. Par conséquent, le pouce dans ce cas indique l'emplacement du pôle sud. Vérifiez si c'est le cas, vous pouvez à nouveau utiliser l'aiguille de la boussole.

Comment fonctionne le moteur électrique

Il est connu que l'électricité peut créer de la lumière et de la chaleur, participer aux processus électrochimiques. Après vous être familiarisé avec les bases du magnétisme, vous pouvez parler du fonctionnement des moteurs électriques.

Les moteurs électriques peuvent être de conception, de puissance et de principe de fonctionnement très différents: par exemple, courant continu et alternatif, pas ou collecteur. Mais avec toute la variété des conceptions, le principe de fonctionnement est basé sur l'interaction des champs magnétiques du rotor et du stator.

Pour obtenir ces champs magnétiques, le courant passe à travers les enroulements. Plus le courant est élevé et plus l'induction magnétique d'un champ magnétique externe est élevée, plus le moteur est puissant. Les noyaux magnétiques sont utilisés pour renforcer ce domaine, il y a donc tellement de pièces en acier dans les moteurs électriques. Certains modèles de moteurs CC utilisent des aimants permanents.

Figure 14.

Ici, vous pouvez dire, tout est clair et simple: ils ont fait passer un courant à travers le fil, ont reçu un champ magnétique. L'interaction avec un autre champ magnétique fait bouger ce conducteur, et même effectuer des travaux mécaniques.

Le sens de rotation peut être déterminé par la règle de la main gauche. Si quatre doigts tendus indiquent la direction du courant dans le conducteur et que les lignes magnétiques pénètrent dans la paume de votre main, le pouce plié indiquera la direction d'éjection du conducteur dans un champ magnétique.

Suite: Inductances et champs magnétiques. Partie 2. Induction et inductance électromagnétiques