ตัวเหนี่ยวนำและสนามแม่เหล็ก

หลังจากที่เรื่องราว เกี่ยวกับการใช้งานของตัวเก็บประจุ มันจะเป็นตรรกะที่จะพูดคุยเกี่ยวกับตัวแทนของเรดิโอตัวเหนี่ยวนำอื่น - แฝง แต่เรื่องราวเกี่ยวกับพวกเขาจะต้องเริ่มต้นจากระยะไกลเพื่อระลึกถึงการมีอยู่ของสนามแม่เหล็กเพราะมันเป็นสนามแม่เหล็กที่ล้อมรอบและแทรกซึมเข้าไปในขดลวดมันอยู่ในสนามแม่เหล็กซึ่งส่วนใหญ่สลับกันซึ่งขดลวดทำงาน ในระยะสั้นนี่คือที่อยู่อาศัยของพวกเขา

อำนาจแม่เหล็กเป็นสมบัติของสสาร

แม่เหล็กเป็นหนึ่งในคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของสสารเช่นมวลหรือสนามไฟฟ้า อย่างไรก็ตามปรากฎการณ์ของสนามแม่เหล็กเป็นเวลานานมีเพียงวิทยาศาสตร์เท่านั้นที่ไม่สามารถอธิบายแก่นแท้ของปรากฏการณ์เหล่านี้ได้ ปรากฏการณ์ที่เข้าใจยากถูกเรียกว่า "อำนาจแม่เหล็ก" โดยชื่อของเมือง Magnesia ซึ่งครั้งหนึ่งเคยอยู่ในเอเชียไมเนอร์ มันมาจากการขุดแร่ใกล้ ๆ ที่ได้รับแม่เหล็กถาวร

แต่แม่เหล็กถาวรในกรอบของบทความนี้ไม่น่าสนใจเป็นพิเศษ ทันทีที่มีการสัญญาว่าจะพูดคุยเกี่ยวกับตัวเหนี่ยวนำเราจะพูดถึงแม่เหล็กไฟฟ้ามากที่สุดเพราะมันยังห่างไกลจากความลับที่แม้แต่รอบ ๆ ลวดที่มีกระแสก็มีสนามแม่เหล็ก

ในสภาพปัจจุบันมันค่อนข้างง่ายที่จะตรวจสอบปรากฏการณ์ของแม่เหล็กในตอนแรกอย่างน้อยระดับ ในการทำเช่นนี้คุณต้องประกอบวงจรไฟฟ้าอย่างง่ายจากแบตเตอรี่และหลอดไฟสำหรับไฟฉาย ในฐานะที่เป็นตัวบ่งชี้ของสนามแม่เหล็กทิศทางและความเข้มของมันคุณสามารถใช้เข็มทิศปกติได้

สนามแม่เหล็ก DC

อย่างที่คุณทราบเข็มทิศแสดงทิศทางไปทางทิศเหนือ หากคุณวางสายของวงจรที่ง่ายที่สุดที่กล่าวถึงข้างต้นแล้วเปิดไฟเข็มของเข็มทิศจะเบี่ยงเบนไปจากตำแหน่งปกติ

ด้วยการเชื่อมต่อหลอดไฟอื่นในแบบคู่ขนานคุณสามารถเพิ่มกระแสในวงจรเป็นสองเท่าซึ่งทำให้มุมการหมุนของลูกศรเพิ่มขึ้นเล็กน้อย สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าสนามแม่เหล็กของลวดกับกระแสไฟฟ้ามีขนาดใหญ่ขึ้น มันอยู่บนหลักการนี้ที่ลูกศรเครื่องมือวัดทำงาน

หากขั้วของการเปิดแบตเตอรี่กลับด้านแล้วเข็มเข็มทิศจะเปลี่ยนไปที่ปลายอีกข้าง - ทิศทางของสนามแม่เหล็กในสายไฟก็เปลี่ยนไปในทิศทางเดียวกัน เมื่อปิดวงจรแล้วเข็มเข็มทิศจะกลับไปที่ตำแหน่งที่ถูกต้อง ไม่มีกระแสในขดลวดและไม่มีสนามแม่เหล็ก

ในการทดลองทั้งหมดนี้เข็มทิศมีบทบาทเป็นเข็มแม่เหล็กทดสอบเหมือนกับการศึกษาสนามไฟฟ้าคงที่โดยประจุไฟฟ้าทดสอบ

จากการทดลองอย่างง่าย ๆ เราสามารถสรุปได้ว่าสนามแม่เหล็กเกิดจากกระแสไฟฟ้า: ยิ่งกระแสนี้แรงขึ้นเท่าไรสมบัติของสนามแม่เหล็กก็จะยิ่งมากขึ้น แล้วสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวรมาจากไหนเพราะไม่มีใครเชื่อมต่อแบตเตอรี่ด้วยสายไฟเข้ากับพวกเขา?

การวิจัยทางวิทยาศาสตร์ขั้นพื้นฐานได้พิสูจน์ว่าแม่เหล็กถาวรนั้นขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ทางไฟฟ้า: อิเล็กตรอนแต่ละตัวอยู่ในสนามไฟฟ้าของตัวเองและมีคุณสมบัติของแม่เหล็กเบื้องต้น เฉพาะในสสารส่วนใหญ่คุณสมบัติเหล่านี้จะถูกทำให้เป็นกลางและด้วยเหตุผลบางอย่างด้วยเหตุผลบางอย่างพวกมันก่อตัวเป็นแม่เหล็กขนาดใหญ่หนึ่งอัน

แน่นอนว่าในความเป็นจริงทุกอย่างไม่ธรรมดาและเรียบง่าย แต่โดยทั่วไปแล้วแม้แต่แม่เหล็กถาวรก็มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมเนื่องจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า

และพวกเขามีเส้นแม่เหล็กชนิดใด?

สามารถมองเห็นเส้นแม่เหล็กได้ จากประสบการณ์ของโรงเรียนในบทเรียนวิชาฟิสิกส์ตะไบโลหะจะถูกเทลงบนกระดาษแข็งและมีแม่เหล็กถาวรวางอยู่ด้านล่าง การแตะบนกระดาษแข็งเบา ๆ สามารถบรรลุภาพที่แสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1

มันง่ายที่จะเห็นว่าเส้นแรงแม่เหล็กออกจากขั้วโลกเหนือและเข้าสู่ทิศใต้โดยไม่แตกหัก แน่นอนเราสามารถพูดได้ว่ามันตรงกันข้ามจากทางทิศใต้ไปทางทิศเหนือ แต่มันเป็นเรื่องธรรมดาดังนั้นจากทางเหนือไปทางทิศใต้ ในทำนองเดียวกันกับที่พวกเขาเคยใช้ทิศทางของกระแสจากบวกถึงลบ

หากแทนที่จะเป็นแม่เหล็กถาวรลวดในปัจจุบันจะถูกส่งผ่านกระดาษแข็งแล้วตะไบโลหะจะแสดงให้เห็นว่ามันเป็นตัวนำ, สนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กนี้มีรูปแบบของเส้นวงกลมศูนย์กลาง

เพื่อศึกษาสนามแม่เหล็กคุณสามารถทำได้โดยไม่ต้องใช้ขี้เลื่อย มันเพียงพอที่จะย้ายลูกศรแม่เหล็กทดสอบรอบ ๆ ตัวนำปัจจุบันเพื่อดูว่าเส้นแรงแม่เหล็กเป็นวงกลมศูนย์กลางที่ปิดแน่นอน หากเราย้ายลูกศรทดสอบไปทางด้านที่สนามแม่เหล็กเบี่ยงเบนมันไปเราจะกลับไปสู่จุดเดิมที่การเคลื่อนที่เริ่มต้นขึ้น ในทำนองเดียวกันการเดินไปรอบ ๆ โลก: หากคุณไม่ไปไหนโดยไม่เปลี่ยนไม่ช้าก็เร็วคุณจะมาที่เดียวกัน

รูปที่ 2

กฎของ Gimlet

ทิศทางของสนามแม่เหล็กของตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าถูกกำหนดโดยกฎของสว่านซึ่งเป็นเครื่องมือสำหรับการเจาะรูในต้นไม้ ทุกอย่างง่ายมากที่นี่: สว่านจะต้องหมุนเพื่อให้การเคลื่อนที่สอดคล้องกับทิศทางของกระแสในลวดจากนั้นทิศทางการหมุนของด้ามจับจะแสดงให้เห็นว่าทิศทางของสนามแม่เหล็กเป็นอย่างไร

รูปที่ 3

“ กระแสที่มาจากเรา” - กากบาทที่อยู่ตรงกลางของวงกลมคือขนนกของลูกศรที่บินอยู่เหนือระนาบของภาพและที่ซึ่ง“ กระแสไหลเข้าหาเรา” ปลายของลูกศรที่บินมาจากด้านหลังของแผ่นจะปรากฏขึ้น อย่างน้อยคำอธิบายของการกำหนดเหล่านี้ได้รับในวิชาฟิสิกส์ที่โรงเรียน

ปฏิสัมพันธ์ของสนามแม่เหล็กของตัวนำสองตัวกับกระแสไฟฟ้า

รูปที่ 4

ถ้าเราใช้กฎของสว่านกับตัวนำแต่ละตัวจากนั้นเมื่อกำหนดทิศทางของสนามแม่เหล็กในตัวนำแต่ละตัวเราสามารถพูดด้วยความมั่นใจว่าตัวนำที่มีทิศทางปัจจุบันเท่ากันนั้นถูกดึงดูดและสนามแม่เหล็กของมันก็เพิ่มขึ้น ตัวนำที่มีกระแสของทิศทางต่างกันจะผลักกันสนามแม่เหล็กของมันจะถูกชดเชย

เหนี่ยวนำ

หากตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นในรูปของวงแหวน (ขดลวด) ก็จะมีขั้วแม่เหล็กของตัวเองทางทิศเหนือและทิศใต้ แต่สนามแม่เหล็กของการหมุนครั้งเดียวมักจะมีขนาดเล็ก คุณสามารถได้ผลลัพธ์ที่ดีกว่ามากโดยการพันลวดในรูปของขดลวด ส่วนดังกล่าวเรียกว่าตัวเหนี่ยวนำหรือเพียงแค่ตัวเหนี่ยวนำ ในกรณีนี้สนามแม่เหล็กของแต่ละรอบจะเพิ่มขึ้นรวมกันซึ่งกันและกัน

รูปที่ 5

รูปที่ 5 แสดงวิธีรับผลรวมของสนามแม่เหล็กของขดลวด ดูเหมือนว่าจะเป็นไปได้ที่จะใช้พลังงานจากการเลี้ยวของแต่ละครั้งดังที่แสดงในรูปที่ 5.2 แต่มันง่ายกว่าในการเชื่อมต่อเทิร์นในซีรีส์ (แค่พันด้วยลวดเส้นเดียว)

เห็นได้ชัดว่ายิ่งมีการหมุนขดลวดมากเท่าใดสนามแม่เหล็กก็จะยิ่งแรงขึ้นเท่านั้น นอกจากนี้สนามแม่เหล็กยังขึ้นอยู่กับกระแสผ่านขดลวดด้วย ดังนั้นจึงถูกกฎหมายในการประเมินความสามารถของขดลวดในการสร้างสนามแม่เหล็กโดยการคูณกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวด (A) ด้วยจำนวนรอบ (W) ค่านี้เรียกว่าแอมแปร์ - รอบ

แกนม้วน

สนามแม่เหล็กที่เกิดจากขดลวดสามารถเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญหากมีการนำแกนของวัสดุ ferromagnetic เข้าสู่ขดลวด รูปที่ 6 แสดงตารางที่มีการซึมผ่านของแม่เหล็กสัมพัทธ์ของสารต่างๆ

ตัวอย่างเช่นเหล็กหม้อแปลงจะทำให้สนามแม่เหล็กมีความแข็งแรงกว่า 7..7.5 พันเท่าเมื่อไม่มีแกนกลาง กล่าวอีกนัยหนึ่งภายในแกนสนามแม่เหล็กจะหมุนเข็มแม่เหล็กให้แรงขึ้น 7,000 เท่า (ซึ่งสามารถจินตนาการทางจิตใจได้เท่านั้น)

รูปที่ 6

สาร Paramagnetic และ diamagnetic ตั้งอยู่ที่ด้านบนของตาราง การซึมผ่านของแม่เหล็กสัมพัทธ์ indicated นั้นสัมพันธ์กับสูญญากาศ ทำให้สารแม่เหล็กเพิ่มประสิทธิภาพสนามแม่เหล็กเล็กน้อยในขณะที่สารแม่เหล็กลดลงเล็กน้อยโดยทั่วไปสารเหล่านี้ไม่มีผลพิเศษต่อสนามแม่เหล็ก แม้ว่าที่ความถี่สูงแกนทองเหลืองหรืออลูมิเนียมบางครั้งใช้ในการปรับรูปทรง

ที่ด้านล่างของตารางจะมีสาร ferromagnetic ที่ช่วยเพิ่มสนามแม่เหล็กของขดลวดอย่างมีนัยสำคัญในปัจจุบัน ตัวอย่างเช่นแกนที่ทำจากเหล็กหม้อแปลงจะทำให้สนามแม่เหล็กแข็งแกร่งขึ้น 7,500 เท่า

วิธีการและวิธีการวัดสนามแม่เหล็ก

เมื่อหน่วยมีความจำเป็นในการวัดปริมาณไฟฟ้าประจุอิเล็กตรอนถูกนำมาใช้เป็นข้อมูลอ้างอิง หน่วยที่แท้จริงและจับต้องได้นั้นเกิดจากภาระของอิเล็กตรอน - จี้และบนพื้นฐานของมันทุกอย่างกลายเป็นเรื่องง่าย: แอมแปร์โวลต์โอห์มจูลวัตต์วัตต์ฟาราด

และสิ่งใดที่สามารถเป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการวัดสนามแม่เหล็กได้? อย่างใดติดกับสนามแม่เหล็กของอิเล็กตรอนเป็นปัญหามาก ดังนั้นตัวนำจึงถูกนำมาใช้เป็นหน่วยวัดในสนามแม่เหล็กโดยที่กระแสตรง 1 กระแสไหล

ลักษณะของสนามแม่เหล็ก

ลักษณะดังกล่าวหลักคือความตึงเครียด (H) มันแสดงให้เห็นว่าสนามแม่เหล็กทำหน้าที่บังคับใช้กับตัวนำทดสอบที่กล่าวถึงข้างต้นหากเกิดขึ้นในสุญญากาศ สูญญากาศมีวัตถุประสงค์เพื่อแยกอิทธิพลของสภาพแวดล้อมดังนั้นลักษณะนี้ - ความตึงเครียดถือว่าสะอาดอย่างแน่นอน แอมแปร์ต่อเมตร (a / m) ใช้เป็นหน่วยความตึง ความตึงเครียดดังกล่าวปรากฏขึ้นที่ระยะห่าง 16 ซม. จากตัวนำพร้อมกับกระแส 1A

ความแรงของสนามพูดได้เฉพาะความสามารถเชิงทฤษฎีของสนามแม่เหล็ก ความสามารถที่แท้จริงในการทำหน้าที่สะท้อนให้เห็นถึงค่าที่แตกต่างกันของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก (B) เธอคือผู้ที่แสดงกำลังที่แท้จริงซึ่งสนามแม่เหล็กกระทำกับตัวนำที่มีกระแส 1A

รูปที่ 7

หากกระแส 1A ไหลในตัวนำ 1 ม. ยาวและถูกผลักออก (ดึงดูด) ด้วยแรง 1 N (102 G) จากนั้นพวกเขาก็บอกว่าขนาดของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก ณ จุดนี้เท่ากับ 1 เทสลา

การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นปริมาณเวกเตอร์นอกเหนือจากค่าตัวเลขแล้วมันยังมีทิศทางที่สอดคล้องกับทิศทางของเข็มแม่เหล็กทดสอบในสนามแม่เหล็กภายใต้การศึกษาเสมอ

รูปที่ 8

หน่วยเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าคือ Tesla (TL) แม้ว่าในทางปฏิบัติมักใช้หน่วยเกาส์ขนาดเล็กกว่า: 1TL = 10,000G มันมากหรือน้อย? สนามแม่เหล็กที่อยู่ใกล้กับแม่เหล็กอันทรงพลังสามารถไปถึง T ได้หลายแห่งใกล้กับเข็มแม่เหล็กของเข็มทิศไม่เกิน 100 G สนามแม่เหล็กของโลกที่อยู่ใกล้พื้นผิวประมาณ 0.01 G หรือต่ำกว่า

ฟลักซ์แม่เหล็ก

เวกเตอร์เหนี่ยวนำแม่เหล็ก B เป็นลักษณะของสนามแม่เหล็กที่จุดเดียวในอวกาศ เพื่อประเมินผลกระทบของสนามแม่เหล็กในบางพื้นที่แนวคิดอื่นเช่นฟลักซ์แม่เหล็ก (Φ) ได้รับการแนะนำ

ในความเป็นจริงมันแสดงถึงจำนวนบรรทัดของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กผ่านพื้นที่ที่กำหนดผ่านบางพื้นที่: Φ = B * S * cosα รูปภาพนี้สามารถแสดงในรูปแบบของเม็ดฝน: หนึ่งบรรทัดคือหนึ่งหยด (B) และรวมกันเป็นฟลักซ์แม่เหล็กΦ นี่คือวิธีที่เส้นแรงแม่เหล็กของขดลวดแต่ละรอบเชื่อมต่อกับกระแสทั่วไป

รูปที่ 9

ในระบบ SI นั้น Weber (Wb) ถูกใช้เป็นหน่วยของฟลักซ์แม่เหล็กซึ่งเกิดขึ้นเมื่อการเหนี่ยวนำ 1 T ทำหน้าที่บนพื้นที่ 1 ตร.ม.

วงจรแม่เหล็ก

ฟลักซ์แม่เหล็กในอุปกรณ์ต่าง ๆ (มอเตอร์, หม้อแปลง ฯลฯ ) ตามกฎผ่านในบางวิธีเรียกว่าวงจรแม่เหล็กหรือเพียงแค่วงจรแม่เหล็ก หากวงจรแม่เหล็กปิด (แกนกลางของหม้อแปลงวงแหวน) แสดงว่ามีความต้านทานน้อยฟลักซ์แม่เหล็กจะผ่านไม่ จำกัด และจะถูกรวมอยู่ในแกนกลาง รูปด้านล่างแสดงตัวอย่างของขดลวดที่มีวงจรแม่เหล็กปิดและเปิด

รูปที่ 10

ความต้านทานวงจรแม่เหล็ก

แต่แกนกลางสามารถตัดได้และสามารถดึงชิ้นส่วนออกมาเพื่อสร้างช่องว่างแม่เหล็ก สิ่งนี้จะเพิ่มความต้านทานแม่เหล็กโดยรวมของวงจรดังนั้นลดฟลักซ์แม่เหล็กและลดการเหนี่ยวนำในแกนกลางทั้งหมดมันเหมือนกับการบัดกรีความต้านทานจำนวนมากในวงจรไฟฟ้า

รูปที่ 11

หากช่องว่างที่เกิดขึ้นถูกบล็อกด้วยชิ้นส่วนของเหล็กปรากฎว่าส่วนเพิ่มเติมที่มีความต้านทานแม่เหล็กต่ำกว่าถูกเชื่อมต่อขนานกับช่องว่างซึ่งจะเรียกคืนฟลักซ์แม่เหล็กที่ถูกรบกวน ซึ่งคล้ายกับวงจรปัดในวงจรไฟฟ้ามาก ยังมีกฎหมายสำหรับวงจรแม่เหล็กซึ่งเรียกว่ากฎของโอห์มสำหรับวงจรแม่เหล็ก

รูปที่ 12

ส่วนหลักของฟลักซ์แม่เหล็กจะผ่านส่วนแบ่งของสนามแม่เหล็ก มันเป็นปรากฏการณ์ที่ใช้ในการบันทึกแม่เหล็กของสัญญาณเสียงหรือวิดีโอ: ชั้น ferromagnetic ของเทปครอบคลุมช่องว่างในแกนกลางของหัวแม่เหล็กและฟลักซ์แม่เหล็กทั้งหมดถูกปิดผ่านเทป

ทิศทางของฟลักซ์แม่เหล็กที่เกิดจากขดลวดสามารถกำหนดได้โดยใช้กฎมือขวา: หากสี่นิ้วที่ยื่นออกมาระบุทิศทางของกระแสในขดลวดนิ้วหัวแม่มือจะแสดงทิศทางของเส้นแม่เหล็กดังแสดงในรูปที่ 13

 

รูปที่ 13

เป็นที่เชื่อกันว่าเส้นแม่เหล็กออกจากขั้วโลกเหนือและไปทางทิศใต้ ดังนั้นนิ้วหัวแม่มือในกรณีนี้จะระบุตำแหน่งของขั้วโลกใต้ ตรวจสอบว่าเป็นเช่นนั้นคุณสามารถใช้เข็มเข็มทิศอีกครั้ง

มอเตอร์ไฟฟ้าทำงานอย่างไร

เป็นที่รู้จักกันว่าไฟฟ้าสามารถสร้างแสงและความร้อนมีส่วนร่วมในกระบวนการไฟฟ้าเคมี หลังจากทำความคุ้นเคยกับพื้นฐานของแม่เหล็กแล้วคุณสามารถพูดคุยเกี่ยวกับการทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้า

มอเตอร์ไฟฟ้าอาจมีการออกแบบที่แตกต่างกันมากพลังงานและหลักการทำงาน: ตัวอย่างเช่นกระแสตรงและกระแสสลับ, ขั้นตอนหรือตัวสะสม แต่ด้วยความหลากหลายของการออกแบบหลักการทำงานขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ของสนามแม่เหล็กของโรเตอร์และสเตเตอร์

เพื่อให้ได้สนามแม่เหล็กเหล่านี้กระแสไฟฟ้าจะถูกส่งผ่านขดลวด ยิ่งกระแสไฟฟ้ายิ่งเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กภายนอกมากเท่าไรเครื่องยนต์ก็ยิ่งมีพลังมากขึ้นเท่านั้น แกนแม่เหล็กถูกใช้เพื่อเสริมความแข็งแกร่งให้กับสนามนี้ดังนั้นจึงมีชิ้นส่วนเหล็กจำนวนมากในมอเตอร์ไฟฟ้า มอเตอร์ DC บางรุ่นใช้แม่เหล็กถาวร

รูปที่ 14

ที่นี่คุณสามารถพูดได้ทุกอย่างชัดเจนและเรียบง่าย: พวกเขาส่งกระแสผ่านสายรับสนามแม่เหล็ก การมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กอื่นทำให้ตัวนำนี้เคลื่อนที่และแม้กระทั่งทำงานทางกล

ทิศทางการหมุนสามารถกำหนดได้โดยกฎของมือซ้าย หากนิ้วที่ยื่นออกมาสี่นิ้วระบุทิศทางของกระแสไฟฟ้าในตัวนำและเส้นแม่เหล็กเข้าสู่ฝ่ามือของคุณนิ้วหัวแม่มืองอจะแสดงทิศทางของการขับออกของตัวนำในสนามแม่เหล็ก

ต่อ: ตัวเหนี่ยวนำและสนามแม่เหล็ก ส่วนที่ 2 การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าและการเหนี่ยวนำ