Индуктори и магнитни полета

След историята относно използването на кондензатори Би било логично да се говори за друг представител на пасивните радиоелементи - индуктори. Но историята за тях ще трябва да започне отдалеч, да си спомним за съществуването на магнитно поле, защото именно магнитното поле заобикаля и прониква в намотките, то е в магнитно поле, най-често редуващо се, че бобините работят. Накратко, това е тяхното местообитание.

Магнетизмът като свойство на материята

Магнетизмът е едно от най-важните свойства на материята, както и например масата или електрическото поле. Явленията на магнетизма обаче, като електричеството, са известни отдавна, само тогава науката не можеше да обясни същността на тези явления. Неразбираемо явление е наречено "магнетизъм" по името на град Магнезия, който някога е бил в Мала Азия. Именно от добивана наблизо руда се получават постоянни магнити.

Но постоянните магнити в рамките на тази статия не са особено интересни. Щом беше обещано да говорим за индуктори, тогава най-вероятно ще говорим за електромагнетизъм, защото далеч не е тайна, че дори около жица с ток има магнитно поле.

В съвременните условия е доста лесно да се изследва явлението магнетизъм на първоначално, поне, ниво. За да направите това, трябва да сглобите обикновена електрическа верига от батерия и крушка за фенерче. Като индикатор за магнитното поле, неговата посока и интензивност можете да използвате обичайния компас.

DC магнитно поле

Както знаете, компасът показва посоката на север. Ако поставите проводниците на най-простата верига, споменати по-горе, и включите светлината, иглата на компаса ще се отклони донякъде от нормалното си положение.

Свързвайки паралелно друга електрическа крушка, можете да удвоите тока във веригата, поради което ъгълът на въртене на стрелката леко се увеличава. Това предполага, че магнитното поле на жицата с ток е станало по-голямо. Именно на този принцип работят инструментите за измерване на стрели.

Ако полярността на включване на батерията е обърната, тогава иглата на компаса ще се обърне към другия край - посоката на магнитното поле в проводниците също се променя в посока. Когато веригата е изключена, иглата на компаса ще се върне в правилното си положение. В намотката няма ток и няма магнитно поле.

Във всички тези експерименти компасът играе ролята на тестова магнитна игла, точно както изследването на постоянно електрическо поле се извършва чрез тестов електрически заряд.

Въз основа на такива най-прости експерименти можем да заключим, че магнетизмът се ражда поради електрически ток: колкото по-силен е този ток, толкова по-силни са магнитните свойства на проводника. И тогава откъде идва магнитното поле на постоянните магнити, тъй като никой не е свързал батерията с проводници към тях?

Основните научни изследвания са доказали, че постоянният магнетизъм се основава на електрически явления: всеки електрон се намира в собствено електрическо поле и има елементарни магнитни свойства. Само в повечето вещества тези свойства се неутрализират взаимно и поради някаква причина те образуват един голям магнит.

Разбира се, всъщност всичко не е толкова примитивно и просто, но като цяло дори постоянните магнити имат своите прекрасни свойства поради движението на електрическите заряди.

И какви магнитни линии са те?

Магнитните линии могат да се видят визуално. В училищния опит, в часовете по физика, металните картофи се изсипват върху лист картон, а отдолу се поставя постоянен магнит. Леко потупване върху лист картон може да постигне картината, показана на фигура 1.

Фигура 1

Лесно е да се види, че магнитните силови линии напускат северния полюс и навлизат в южния, без да се счупят. Разбира се, можем да кажем, че е, напротив, от юг на север, но е толкова обичайно, следователно, от север на юг. По същия начин, както веднъж приеха посоката на тока от плюс към минус.

Ако вместо постоянен магнит, ток проводник се прекара през картон, тогава метални обшивки ще го покажат, проводникът, магнитното поле. Това магнитно поле има формата на концентрични кръгови линии.

За да изучите магнитното поле, можете да направите без дървени стърготини. Достатъчно е да преместите тестовата магнитна стрелка около токовия проводник, за да видите, че магнитните силови линии наистина са затворени концентрични кръгове. Ако преместим тестовата стрелка в страната, където магнитното поле я отклонява, със сигурност ще се върнем към същата точка, от която сме започнали движението. По същия начин, като ходене около Земята: ако отидете никъде, без да се обърнете, рано или късно ще дойдете на същото място.

Фигура 2

Правило на Гимлет

Посоката на магнитното поле на проводник с ток се определя от правилото на гимлета, инструмент за пробиване на дупки в дърво. Тук всичко е много просто: жилетката трябва да бъде завъртена така, че нейното транслационно движение да съвпада с посоката на тока в жицата, тогава посоката на въртене на дръжката ще покаже къде е насочено магнитното поле.

Фигура 3

„Токът идва от нас“ - кръстът в средата на кръга е оперението на стрела, летяща отвъд равнината на картината, и където „Токът се приближава към нас“, се показва върхът на стрелката, летяща поради равнината на листа. Поне такова обяснение на тези обозначения беше дадено на уроците по физика в училище.

Взаимодействието на магнитните полета на два проводника с ток

Фигура 4

Ако приложим правилото на гимлета към всеки проводник, след като определим посоката на магнитното поле във всеки проводник, можем с увереност да кажем, че проводници със същата посока на тока са привлечени и техните магнитни полета се добавят. Проводниците с токове от различни посоки са взаимно отблъскващи, магнитното им поле се компенсира.

индуктор

Ако проводникът с ток е направен под формата на пръстен (намотка), тогава той има свои магнитни полюси, север и юг. Но магнитното поле на един оборот обикновено е малко. Можете да постигнете много по-добри резултати, като увиете жицата под формата на намотка. Такава част се нарича индуктор или просто индуктивност. В този случай магнитните полета на отделните завои се събират, взаимно се подсилват.

Фигура 5

Фигура 5 показва как да се получи сумата от магнитните полета на намотката. Изглежда, че е възможно да се захранва всеки завой от своя източник, както е показано на фиг. 5.2, но е по-лесно да свържете завоите последователно (просто ги увийте с една жица).

Съвсем очевидно е, че колкото повече завои има бобината, толкова по-силно е магнитното й поле. Също така магнитното поле зависи и от тока през бобината. Следователно е легитимно да се оцени способността на бобина да създава магнитно поле, просто като умножи тока през бобината (A) по броя на завоите (W). Тази стойност се нарича ампер - завои.

Основна бобина

Магнитното поле, генерирано от бобината, може значително да се увеличи, ако в намотката се въведе ядро ​​от феромагнитен материал. Фигура 6 показва таблица с относителната магнитна пропускливост на различни вещества.

Например, трансформаторна стомана ще направи магнитното поле приблизително 7..7.5 хиляди пъти по-силно, отколкото при липса на сърцевина. С други думи, вътре в ядрото магнитното поле ще завърти магнитната игла 7000 пъти по-силно (това може да се представи само психически).

Фигура 6

Парамагнитните и диамагнитните вещества са разположени в горната част на таблицата. Относителната магнитна проницаемост µ е показана спрямо вакуума. Следователно парамагнитните вещества леко засилват магнитното поле, докато диамагнитните вещества леко отслабват.По принцип тези вещества нямат особен ефект върху магнитното поле. Въпреки че при високи честоти понякога се използват месингови или алуминиеви сърцевини за регулиране на контурите.

В долната част на таблицата са феромагнитни вещества, които значително усилват магнитното поле на намотката с ток. Така например сърцевина, направена от трансформаторна стомана, ще направи магнитното поле по-силно точно 7500 пъти.

Как и как да се измери магнитното поле

Когато единици бяха необходими за измерване на електрически величини, зарядът на електроните беше взет за еталон. От заряда на един електрон - висулка се образува много истинска и дори осезаема единица и на нейната основа всичко се оказва просто: ампер, волт, ом, джоул, ват, фарад.

И какво може да се приеме като отправна точка за измерване на магнитни полета? По някакъв начин привързването към магнитното поле на електрона е много проблематично. Следователно проводник е възприет като мерна единица в магнетизма, през който тече постоянен ток от 1 А.

Характеристики на магнитното поле

Основната такава характеристика е напрежението (H). Показва с каква сила магнитното поле действа върху изпитания проводник, споменат по-горе, ако се случи във вакуум. Вакуумът е предназначен да изключи влиянието на околната среда, следователно тази характеристика - напрежението се счита за абсолютно чисто. Ампер на метър (a / m) се приема за единица на напрежение. Такова напрежение се появява на разстояние 16 см от проводника, по протежение на което тече 1А ток.

Силата на полето говори само за теоретичната способност на магнитното поле. Реалната способност за действие отразява различна стойност на магнитната индукция (B). Именно тя показва истинската сила, с която магнитното поле действа върху проводник с ток 1А.

Фигура 7

Ако ток от 1А тече в проводник с дължина 1 м и той се изтласква (привлича) със сила 1 N (102 G), тогава те казват, че величината на магнитната индукция в този момент е точно 1 Тесла.

Магнитната индукция е векторно количество, в допълнение към числовата стойност, тя има и посока, която винаги съвпада с посоката на тестовата магнитна игла в изследваното магнитно поле.

Фигура 8

Единицата за магнитна индукция е Tesla (TL), въпреки че на практика често използват по-малка единица от Гаус: 1TL = 10 000G. Много или малко? Магнитното поле в близост до мощен магнит може да достигне няколко T, близо до магнитната игла на компаса не повече от 100 G, магнитното поле на Земята близо до повърхността е около 0.01 G или дори по-ниско.

Магнитен поток

Векторът на магнитната индукция В характеризира магнитното поле само в една точка в пространството. За да се оцени ефекта на магнитно поле в определено пространство, се въвежда друго понятие като магнитен поток (Φ).

Всъщност той представлява броя на линиите на магнитна индукция, преминаващи през дадено пространство, през някаква област: Φ = B * S * cosα. Тази картина може да бъде представена под формата на капки за дъжд: една линия е една капка (B) и заедно това е магнитният поток Φ. Ето как силовите магнитни линии на отделни завои на бобините са свързани в общ поток.

Фигура 9

В системата SI, Weber (Wb) се приема за единица магнитен поток, такъв поток възниква, когато индукция от 1 T действа на площ от 1 кв.м.

Магнитна верига

Магнитният поток в различни устройства (двигатели, трансформатори и т.н.), като правило, преминава по определен начин, наречен магнитна верига или просто магнитна верига. Ако магнитната верига е затворена (сърцевината на пръстеновия трансформатор), тогава нейното съпротивление е малко, магнитният поток преминава безпрепятствено, се концентрира вътре в сърцевината. Фигурата по-долу показва примери за намотки със затворени и отворени магнитни вериги.

Фигура 10

Съпротивление на магнитна верига

Но сърцевината може да бъде отрязана и парче може да се издърпа от нея, за да се направи магнитна пропаст. Това ще увеличи общото магнитно съпротивление на веригата, следователно ще намали магнитния поток и като цяло ще намали индукцията в цялото ядро.Това е същото като запояване на голямо съпротивление в електрическа верига.

Фигура 11.

Ако получената празнина се затвори с парче стомана, се оказва, че допълнителна секция с по-ниско магнитно съпротивление е свързана успоредно на пролуката, която ще възстанови нарушения магнитен поток. Това е много подобно на шунт в електрическите вериги. Между другото, за магнитната верига има и закон, наречен закон на Ом за магнитната верига.

Фигура 12.

Основната част от магнитния поток ще премине през магнитния шунт. Именно това явление се използва при магнитно записване на аудио или видео сигнали: феромагнитният слой на лентата покрива пролуката в сърцевината на магнитните глави и целият магнитен поток се затваря през лентата.

Посоката на магнитния поток, генериран от намотката, може да се определи с помощта на правилото на дясната ръка: ако четири протегнати пръста показват посоката на тока в намотката, палецът ще покаже посоката на магнитните линии, както е показано на фигура 13.

 

Фигура 13.

Смята се, че магнитните линии напускат северния полюс и излизат на юг. Следователно палецът в този случай показва местоположението на южния полюс. Проверете дали това е така, можете отново да използвате иглата за компас.

Как работи електродвигателят

Известно е, че електричеството може да създава светлина и топлина, да участва в електрохимичните процеси. След като се запознаете с основите на магнетизма, можете да говорите за това как работят електродвигателите.

Електродвигателите могат да бъдат с много различен дизайн, мощност и принцип на работа: например постоянен и променлив ток, стъпка или колектор. Но при цялото разнообразие от дизайни, принципът на работа се основава на взаимодействието на магнитните полета на ротора и статора.

За да се получат тези магнитни полета, токът се предава през намотките. Колкото по-голям е токът и колкото по-голяма е магнитната индукция на външно магнитно поле, толкова по-мощен е двигателят. За укрепване на това поле се използват магнитни ядра, така че има толкова много стоманени части в електродвигатели. Някои модели двигатели с постоянен ток използват постоянни магнити.

Фигура 14.

Тук, можете да кажете, всичко е ясно и просто: те преминаха ток през жицата, получиха магнитно поле. Взаимодействието с друго магнитно поле кара този проводник да се движи и дори да извършва механична работа.

Посоката на въртене може да се определи от правилото на лявата ръка. Ако четири изпънати пръста показват посоката на тока в проводника, а магнитните линии навлизат в дланта на ръката ви, наведеният палец ще посочи посоката на изтласкване на проводника в магнитно поле.

Продължение: Индуктори и магнитни полета. Част 2. Електромагнитна индукция и индуктивност