Sie können zeigen, wie man das Ampèresche Gesetz anwendet, indem Sie das Magnetfeld in der Nähe des Drahtes bestimmen. Wir stellen die Frage: Was ist das Feld außerhalb eines langen geraden Drahtes mit zylindrischem Querschnitt? Wir machen eine Annahme, vielleicht nicht so offensichtlich, aber dennoch richtig: Die Feldlinien verlaufen kreisförmig um den Draht. Wenn wir diese Annahme treffen, dann sagt uns das Ampèresche Gesetz [Gleichung (13.16)], wie groß das Feld ist. Aufgrund der Symmetrie des Problems hat das Feld an allen Punkten des zum Draht konzentrischen Kreises denselben Wert (Abb. 13.7). Dann kann man leicht das Linienintegral von nehmen. Es ist einfach gleich dem Wert multipliziert mit dem Umfang. Wenn der Radius des Kreises ist, dann

.

Der Gesamtstrom durch die Schleife ist also nur der Strom im Draht

. (13.17)

Die magnetische Feldstärke nimmt umgekehrt mit dem Abstand von der Drahtachse ab. Falls gewünscht, kann Gleichung (13.17) in Vektorform geschrieben werden. Denken wir daran, dass die Richtung senkrecht zu beiden ist, und wir haben

(13.18)

Abbildung 13.7. Magnetfeld außerhalb eines langen stromdurchflossenen Drahtes.

Abbildung 13.8. Magnetfeld einer langen Magnetspule.

Wir haben den Multiplikator hervorgehoben, weil er häufig vorkommt. Es sei daran erinnert, dass es (im SI-Einheitensystem) genau gleich ist, weil eine Gleichung der Form (13.17) verwendet wird, um die Einheit des Stroms, das Ampere, zu bestimmen. In einer Entfernung erzeugt der Strom ein Magnetfeld gleich .

Da der Strom ein Magnetfeld erzeugt, wirkt er mit einer gewissen Kraft auf den benachbarten Draht, durch den der Strom ebenfalls fließt. In Kap. 1 haben wir ein einfaches Experiment beschrieben, das die Kräfte zwischen zwei stromdurchflossenen Drähten zeigt. Wenn die Drähte parallel sind, dann ist jeder senkrecht zum Feld des anderen Drahtes; dann stoßen sich die Drähte ab oder werden voneinander angezogen. Bei Stromfluss in eine Richtung ziehen sich die Drähte an, bei Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung stossen sie sich ab.

Nehmen wir ein weiteres Beispiel, das auch mit dem Ampère-Gesetz analysiert werden kann, wenn wir einige Informationen über die Natur des Feldes hinzufügen. Es sei ein langer Draht, der zu einer engen Spirale aufgewickelt ist, deren Querschnitt in Abb. 13.8. Eine solche Spule wird Solenoid genannt. Wir haben experimentell beobachtet, dass, wenn die Länge eines Solenoids im Vergleich zu seinem Durchmesser sehr groß ist, das Feld außerhalb sehr klein ist im Vergleich zum Feld im Inneren. Wenn man nur diese Tatsache und das Ampère-Gesetz verwendet, kann man die Größe des Feldes im Inneren finden.

Da das Feld innen bleibt (und keine Divergenz hat), sollten seine Linien parallel zur Achse verlaufen, wie in Abb. 13.8. Wenn ja, dann können wir das Ampèresche Gesetz für die rechteckige "Kurve" in der Abbildung verwenden. Diese Kurve legt eine Strecke innerhalb des Solenoids zurück, wo das Feld beispielsweise ist, verläuft dann rechtwinklig zum Feld und kehrt über den äußeren Bereich zurück, wo das Feld vernachlässigt werden kann. Das Linienintegral entlang dieser Kurve ist genau , und dies muss gleich mal dem Gesamtstrom darin sein, d.h. ein (wobei die Anzahl der Windungen des Solenoids entlang der Länge ist). Wir haben

Oder, indem wir - die Anzahl der Windungen pro Längeneinheit des Solenoids (so) einführen, erhalten wir

Abbildung 13.9. Magnetfeld außerhalb des Solenoids.

Was passiert mit den Leitungen, wenn sie das Ende des Solenoids erreichen? Anscheinend divergieren sie irgendwie und kehren vom anderen Ende zum Solenoid zurück (Abb. 13.9). Exakt das gleiche Feld wird außerhalb des Magnetstabs beobachtet. Nun, was ist ein Magnet? Unsere Gleichungen besagen, dass das Feld durch das Vorhandensein von Strömen entsteht. Und wir wissen, dass auch gewöhnliche Eisenstangen (keine Batterien oder Generatoren) Magnetfelder erzeugen. Sie könnten erwarten, dass auf der rechten Seite von (13.12) oder (13.13) andere Begriffe stehen, die die „Dichte von magnetisiertem Eisen“ oder eine ähnliche Größe darstellen. Aber es gibt kein solches Mitglied. Unsere Theorie besagt, dass die magnetischen Wirkungen von Eisen aus einer Art interner Ströme entstehen, die bereits durch den Begriff berücksichtigt werden.

Materie ist sehr komplex, wenn man sie von einem tiefen Standpunkt aus betrachtet; wir haben dies bereits gesehen, als wir versuchten, Dielektrika zu verstehen. Um unsere Präsentation nicht zu unterbrechen, verschieben wir eine ausführliche Diskussion des inneren Mechanismus magnetischer Materialien wie Eisen. Vorerst muss man akzeptieren, dass jeglicher Magnetismus durch Ströme entsteht und dass in einem Permanentmagneten ständig innere Ströme fließen. Im Fall von Eisen werden diese Ströme durch Elektronen erzeugt, die sich um ihre eigene Achse drehen. Jedes Elektron hat einen Spin, der einem winzigen Kreisstrom entspricht. Ein Elektron erzeugt natürlich kein großes Magnetfeld, aber ein gewöhnliches Stück Materie enthält Milliarden und Abermilliarden von Elektronen. Normalerweise drehen sie sich in irgendeiner Weise, sodass der Gesamteffekt verschwindet. Überraschend ist, dass sich bei einigen Stoffen wie Eisen die meisten Elektronen um in eine Richtung gerichtete Achsen drehen – bei Eisen nehmen an dieser gemeinsamen Bewegung zwei Elektronen aus jedem Atom teil. Ein Magnet hat eine große Anzahl von Elektronen, die sich in die gleiche Richtung drehen, und wie wir sehen werden, entspricht ihre kombinierte Wirkung dem Strom, der auf der Oberfläche des Magneten zirkuliert. (Dies ist dem sehr ähnlich, was wir in Dielektrika gefunden haben – ein gleichmäßig polarisiertes Dielektrikum entspricht der Ladungsverteilung auf seiner Oberfläche.) Es ist also kein Zufall, dass ein Magnetstab einem Solenoid entspricht.

Wenn eine Magnetnadel mit Strom zu einem geradlinigen Leiter gebracht wird, neigt sie dazu, senkrecht zu der Ebene zu stehen, die durch die Achse des Leiters und das Rotationszentrum des Pfeils verläuft (Abb. 67). Dies weist darauf hin, dass auf die Nadel besondere Kräfte wirken, die als magnetisch bezeichnet werden. Mit anderen Worten, wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, entsteht um den Leiter herum ein Magnetfeld. Das Magnetfeld kann als besonderer Zustand des Raumes betrachtet werden, der stromdurchflossene Leiter umgibt.

Wenn Sie einen dicken Leiter durch die Karte führen und einen elektrischen Strom hindurchleiten, werden auf Pappe gestreute Stahlspäne in konzentrischen Kreisen um den Leiter herum angeordnet, in diesem Fall die sogenannten Magnetlinien (Abb. 68). Wir können die Pappe auf dem Leiter nach oben oder unten bewegen, aber die Position der Stahlspäne ändert sich nicht. Daher entsteht um den Leiter auf seiner gesamten Länge ein Magnetfeld.

Wenn Sie kleine Magnetpfeile auf Karton legen, können Sie durch Ändern der Stromrichtung im Leiter sehen, dass sich die Magnetpfeile drehen (Abb. 69). Dies zeigt, dass sich die Richtung der magnetischen Linien mit der Richtung des Stroms im Leiter ändert.

Das Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Leiter hat folgende Merkmale: Die Magnetlinien eines geradlinigen Leiters haben die Form konzentrischer Kreise; je näher am Leiter, desto dichter sind die magnetischen Linien, desto größer ist die magnetische Induktion; magnetische Induktion (Feldstärke) hängt von der Größe des Stroms im Leiter ab; Die Richtung der Magnetlinien hängt von der Stromrichtung im Leiter ab.

Um die Richtung des Stroms in dem im Abschnitt gezeigten Leiter anzuzeigen, wird ein Symbol verwendet, das wir in Zukunft verwenden werden. Wenn wir mental einen Pfeil in Stromrichtung in den Leiter legen (Abb. 70), sehen wir in dem Leiter, dessen Strom von uns weg gerichtet ist, den Schwanz des Pfeilgefieders (Kreuz); Wenn der Strom auf uns gerichtet ist, sehen wir die Spitze des Pfeils (Punkt).

Die Richtung magnetischer Linien um einen stromdurchflossenen Leiter lässt sich mit der „Gimlet-Regel“ bestimmen. Wenn sich ein Gimlet (Korkenzieher) mit Rechtsgewinde in Stromrichtung vorwärts bewegt, stimmt die Drehrichtung des Griffs mit der Richtung der Magnetlinien um den Leiter überein (Abb. 71).

Reis. 71. Bestimmung der Richtung magnetischer Linien um einen stromdurchflossenen Leiter nach der „Gimlet-Regel“

Entlang der Magnetlinien befindet sich eine Magnetnadel, die in das Feld eines stromdurchflossenen Leiters eingeführt wird. Um seinen Standort zu bestimmen, können Sie daher auch die "Gimlet-Regel" verwenden (Abb. 72).

Reis. 72. Bestimmung der Richtung der Abweichung einer Magnetnadel, die mit Strom an einen Leiter gebracht wird, nach der "Regel eines Handbohrers"

Das Magnetfeld ist eine der wichtigsten Manifestationen des elektrischen Stroms und kann nicht unabhängig und getrennt vom Strom erhalten werden.

Bei Permanentmagneten wird das Magnetfeld auch durch die Bewegung von Elektronen verursacht, aus denen die Atome und Moleküle des Magneten bestehen.

Die Intensität des Magnetfelds an jedem Punkt wird durch die Größe der magnetischen Induktion bestimmt, die normalerweise mit dem Buchstaben B bezeichnet wird. Die magnetische Induktion ist eine Vektorgröße, dh sie ist nicht nur durch einen bestimmten Wert, sondern auch gekennzeichnet durch eine bestimmte Richtung an jedem Punkt des Magnetfelds. Die Richtung des magnetischen Induktionsvektors fällt mit der Tangente an die magnetische Linie an einem bestimmten Punkt im Feld zusammen (Abb. 73).

Als Ergebnis der Verallgemeinerung experimenteller Daten fanden die französischen Wissenschaftler Biot und Savard heraus, dass die magnetische Induktion B (magnetische Feldstärke) in einem Abstand r von einem unendlich langen geradlinigen stromdurchflossenen Leiter durch den Ausdruck bestimmt wird

wobei r der Radius des Kreises ist, der durch den betrachteten Punkt des Feldes gezogen wird; der Mittelpunkt des Kreises liegt auf der Achse des Leiters (2πr - Umfang);

I ist die Strommenge, die durch den Leiter fließt.

Der Wert von μ a , der die magnetischen Eigenschaften des Mediums charakterisiert, wird als absolute magnetische Permeabilität des Mediums bezeichnet.

Für Leerheit hat die absolute magnetische Permeabilität einen Mindestwert und es ist üblich, ihn mit μ 0 zu bezeichnen und ihn die absolute magnetische Permeabilität der Leere zu nennen.

1 h = 1 Ohm⋅sek.

Das Verhältnis μ a / μ 0 , das angibt, wie oft die absolute magnetische Permeabilität eines bestimmten Mediums größer ist als die absolute magnetische Permeabilität des Hohlraums, wird als relative magnetische Permeabilität bezeichnet und mit dem Buchstaben μ bezeichnet.

Im Internationalen Einheitensystem (SI) werden die Maßeinheiten der magnetischen Induktion B akzeptiert - Tesla oder Weber pro Quadratmeter (tl, wb / m 2).

In der Ingenieurpraxis wird die magnetische Induktion üblicherweise in Gauss (Gauss) gemessen: 1 t = 10 4 Gauss.

Wenn an allen Punkten des Magnetfelds die magnetischen Induktionsvektoren gleich groß und parallel zueinander sind, wird ein solches Feld als homogen bezeichnet.

Das Produkt aus der magnetischen Induktion B und der Größe der Fläche S senkrecht zur Feldrichtung (magnetischer Induktionsvektor) wird als Fluss des magnetischen Induktionsvektors oder einfach als magnetischer Fluss bezeichnet und mit dem Buchstaben Φ ( Abb. 74):

Im Internationalen System ist die Maßeinheit für den magnetischen Fluss Weber (wb).

In technischen Berechnungen wird der magnetische Fluss in Maxwells (µs) gemessen:

1 WB \u003d 10 8 μs.

Bei der Berechnung von Magnetfeldern wird auch eine Größe namens Magnetfeldstärke (mit H bezeichnet) verwendet. Die magnetische Induktion B und die magnetische Feldstärke H hängen durch die Beziehung zusammen

Die Maßeinheit für die magnetische Feldstärke H ist Ampere pro Meter (a/m).

Die Stärke des Magnetfelds in einem homogenen Medium sowie die magnetische Induktion hängen von der Größe des Stroms, der Anzahl und Form der Leiter ab, durch die der Strom fließt. Anders als bei der magnetischen Induktion berücksichtigt die magnetische Feldstärke jedoch nicht den Einfluss der magnetischen Eigenschaften des Mediums.

Wenn eine Magnetnadel mit elektrischem Strom zu einem geraden Leiter gebracht wird, neigt sie dazu, senkrecht zu der Ebene zu stehen, die durch die Achse des Leiters und das Rotationszentrum des Pfeils verläuft. Dies deutet darauf hin, dass auf die Nadel besondere Kräfte wirken, die als Magnetkräfte bezeichnet werden. Ein Magnetfeld wirkt nicht nur auf eine Magnetnadel, sondern auch auf bewegte geladene Teilchen und stromführende Leiter, die sich in einem Magnetfeld befinden. Bei bewegten Leitern in einem Magnetfeld oder bei ortsfesten Leitern in einem magnetischen Wechselfeld entsteht ein induktives e. d.s.

In Übereinstimmung mit dem Obigen können wir die folgende Definition des Magnetfelds geben.

Ein Magnetfeld ist eine der beiden Seiten des elektromagnetischen Feldes, angeregt durch die elektrischen Ladungen bewegter Teilchen und eine Änderung des elektrischen Feldes und gekennzeichnet durch eine Kraftwirkung auf bewegte geladene Teilchen und damit auf elektrische Ströme.

Führt man einen dicken Leiter durch den Karton und leitet einen elektrischen Strom hindurch, so legen sich die auf den Karton gestreuten Stahlspäne in konzentrischen Kreisen um den Leiter, das sind in diesem Fall die sogenannten magnetischen Induktionslinien (Abb 78). Wir können die Pappe auf dem Leiter nach oben oder unten bewegen, aber die Position der Stahlspäne ändert sich nicht. Daher entsteht um den Leiter auf seiner gesamten Länge ein Magnetfeld.

Wenn Sie kleine Magnetpfeile auf Karton legen, können Sie durch Ändern der Stromrichtung im Leiter sehen, dass sich die Magnetpfeile drehen (Abb. 79). Dies zeigt, dass sich die Richtung der magnetischen Induktionslinien mit der Stromrichtung im Leiter ändert.

Magnetische Induktionslinien um einen Leiter mit Strom haben die folgenden Eigenschaften: 1) Magnetische Induktionslinien eines geradlinigen Leiters haben die Form konzentrischer Kreise; 2) je näher am Leiter, desto dichter sind die magnetischen Induktionslinien; 3) magnetische Induktion (Feldstärke) hängt von der Größe des Stroms im Leiter ab; 4) Die Richtung der magnetischen Induktionslinien hängt von der Richtung des Stroms im Leiter ab.

Die Richtung magnetischer Induktionslinien um einen stromdurchflossenen Leiter herum lässt sich durch die "Regel des Handbohrers:" bestimmen. Wenn sich ein Gimlet (Korkenzieher) mit Rechtsgewinde in Stromrichtung vorwärts bewegt, stimmt die Drehrichtung des Griffs mit der Richtung der magnetischen Induktionslinien um den Leiter überein (Abb. 81).

Entlang der magnetischen Induktionslinien befindet sich eine in das Feld eines stromdurchflossenen Leiters eingebrachte Magnetnadel. Um seinen Standort zu bestimmen, können Sie daher auch die "Regel des Gimlets" verwenden (Abb. 82). Das Magnetfeld ist eine der wichtigsten Manifestationen des elektrischen Stroms und kann es nicht sein

Unabhängig und getrennt vom Strom erhalten. Das Magnetfeld wird durch den magnetischen Induktionsvektor charakterisiert, der also eine bestimmte Größe und eine bestimmte Richtung im Raum hat.

Ein quantitativer Ausdruck für die magnetische Induktion als Ergebnis der Verallgemeinerung experimenteller Daten wurde von Biot und Savart aufgestellt (Abb. 83). Durch die Messung der Magnetfelder elektrischer Ströme unterschiedlicher Größe und Form durch die Abweichung der Magnetnadel kamen beide Wissenschaftler zu dem Schluss, dass jedes Stromelement in einiger Entfernung von sich selbst ein Magnetfeld erzeugt, dessen magnetische Induktion AB direkt proportional ist zur Länge A1 dieses Elements, der Größe des fließenden Stroms I, dem Sinus, dem Winkel a zwischen der Richtung des Stroms und dem Radiusvektor, der den für uns interessierenden Feldpunkt mit einem gegebenen Stromelement verbindet, und ist umgekehrt proportional zu das Quadrat der Länge dieses Radiusvektors r:

Henry (h) - Einheit der Induktivität; 1 h = 1 Ohm sek.

- relative magnetische Permeabilität - ein dimensionsloser Koeffizient, der angibt, wie oft die magnetische Permeabilität eines bestimmten Materials größer ist als die magnetische Permeabilität des Hohlraums. Die Dimension der magnetischen Induktion kann durch die Formel gefunden werden

Voltsekunde wird auch Weber (vb) genannt:

In der Praxis gibt es eine kleinere Einheit der magnetischen Induktion, Gauß (gs):

Mit dem Gesetz von Biot und Savart können Sie die magnetische Induktion eines unendlich langen geraden Leiters berechnen:

wo ist der Abstand vom Leiter zum Punkt wo

Magnetische Induktion. Das Verhältnis der magnetischen Induktion zum Produkt der magnetischen Permeabilitäten wird als magnetische Feldstärke bezeichnet und mit dem Buchstaben H bezeichnet:

Die letzte Gleichung bezieht sich auf zwei magnetische Größen: Induktion und magnetische Feldstärke. Lassen Sie uns die Dimension H finden:

Manchmal verwenden sie eine andere Spannungseinheit - ein Oersted (äh):

1 er = 79,6 a/m = 0,796 a/cm.

Die magnetische Feldstärke H ist ebenso wie die magnetische Induktion B eine vektorielle Größe.

Eine Tangente an jeden Punkt, die mit der Richtung des magnetischen Induktionsvektors zusammenfällt, wird als magnetische Induktionslinie oder als magnetische Induktionslinie bezeichnet.

Das Produkt der magnetischen Induktion durch die Größe der Fläche senkrecht zur Feldrichtung (magnetischer Induktionsvektor) wird als Fluss des magnetischen Induktionsvektors oder einfach als magnetischer Fluss bezeichnet und mit dem Buchstaben F bezeichnet:

Maß des magnetischen Flusses:

d.h. der magnetische Fluss wird in Voltsekunden oder Webers gemessen. Eine kleinere Einheit des magnetischen Flusses ist der Maxwell (µs):

1 wb = 108 µs. 1 µs = 1 gs cm2.

Sie können zeigen, wie man das Ampèresche Gesetz anwendet, indem Sie das Magnetfeld in der Nähe des Drahtes bestimmen. Wir stellen die Frage: Was ist das Feld außerhalb eines langen geraden Drahtes mit zylindrischem Querschnitt? Wir machen eine Annahme, vielleicht nicht so offensichtlich, aber dennoch richtig: Die Linien des Feldes B gehen kreisförmig um den Draht herum. Wenn wir diese Annahme treffen, dann sagt uns das Ampèresche Gesetz [Gleichung (13.16)], wie groß das Feld ist. Aufgrund der Symmetrie des Problems hat das Feld B an allen Punkten des zum Draht konzentrischen Kreises denselben Wert (Abb. 13.7). Dann kann man leicht das Linienintegral von B·ds nehmen. Es ist einfach das B-fache des Umfangs. Wenn der Radius des Kreises ist r, dann

Der Gesamtstrom durch die Schleife ist einfach der Strom / im Draht, also

Die magnetische Feldstärke nimmt umgekehrt proportional ab r, Abstand von der Drahtachse. Falls gewünscht, kann Gleichung (13.17) in Vektorform geschrieben werden. Unter Hinweis darauf, dass B senkrecht zu I und r gerichtet ist, haben wir

Wir haben den Faktor 1/4πε 0 mit 2 herausgegriffen, weil er oft vorkommt. Es sei daran erinnert, dass es genau 10 - 7 (in SI-Einheiten) ist, weil eine Gleichung wie (13.17) daran gewöhnt ist Definitionen Stromeinheiten, Ampere. Im Abstand von 1 m Ein Strom von 1 a erzeugt ein Magnetfeld von 2 · 10 - 7 weber/m 2 .

Da der Strom ein Magnetfeld erzeugt, wirkt er mit einer gewissen Kraft auf den benachbarten Draht, durch den der Strom ebenfalls fließt. In Kap. 1 haben wir ein einfaches Experiment beschrieben, das die Kräfte zwischen zwei stromdurchflossenen Drähten zeigt. Wenn die Drähte parallel sind, dann ist jeder von ihnen senkrecht zum Feld B des anderen Drahtes; dann stoßen sich die Drähte ab oder werden voneinander angezogen. Bei Stromfluss in eine Richtung ziehen sich die Drähte an, bei Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung stossen sie sich ab.

Nehmen wir ein weiteres Beispiel, das auch mit dem Ampère-Gesetz analysiert werden kann, wenn wir einige Informationen über die Natur des Feldes hinzufügen. Es sei ein langer Draht, der zu einer engen Spirale aufgewickelt ist, deren Querschnitt in Abb. 13.8. Diese Spirale heißt Solenoid. Wir haben experimentell beobachtet, dass, wenn die Länge eines Solenoids im Vergleich zu seinem Durchmesser sehr groß ist, das Feld außerhalb sehr klein ist im Vergleich zum Feld im Inneren. Wenn man nur diese Tatsache und das Ampère-Gesetz verwendet, kann man die Größe des Feldes im Inneren finden.

Da das Feld Überreste innen (und hat keine Divergenz), sollten seine Linien parallel zur Achse verlaufen, wie in Abb. 13.8. Wenn dies der Fall ist, können wir das Ampèresche Gesetz für die rechteckige "Kurve" Γ in der Abbildung verwenden. Diese Kurve legt die Strecke zurück L innerhalb des Solenoids, wo das Feld beispielsweise gleich Bo ist, verläuft dann rechtwinklig zum Feld und kehrt entlang des äußeren Bereichs zurück, wo das Feld vernachlässigt werden kann. Das Linienintegral von B entlang dieser Kurve ist genau Bei 0 l, und dies sollte gleich 1/ε 0 s 2 multipliziert mit dem Gesamtstrom innerhalb von G sein, d.h. mit N.I.(wobei N die Anzahl der Windungen des Solenoids entlang der Länge ist L). Wir haben

Oder durch Eingabe n- Anzahl der Züge pro Längeneinheit Solenoid (bzw n= N/L), wir bekommen

Was passiert mit den B-Leitungen, wenn sie das Ende des Solenoids erreichen? Anscheinend divergieren sie irgendwie und kehren vom anderen Ende zum Solenoid zurück (Abb. 13.9). Exakt das gleiche Feld wird außerhalb des Magnetstabs beobachtet. gut und was ist Magnet? Unsere Gleichungen besagen, dass das Feld B durch das Vorhandensein von Strömen entsteht. Und wir wissen, dass auch gewöhnliche Eisenstangen (keine Batterien oder Generatoren) Magnetfelder erzeugen. Sie könnten erwarten, dass auf der rechten Seite von (13.12) oder (16.13) andere Begriffe stehen würden, die die „Dichte von magnetisiertem Eisen“ oder eine ähnliche Größe darstellen. Aber es gibt kein solches Mitglied. Unsere Theorie besagt, dass die magnetischen Wirkungen von Eisen aus einigen internen Strömen resultieren, die bereits durch den Term j berücksichtigt werden.

Materie ist sehr komplex, wenn man sie von einem tiefen Standpunkt aus betrachtet; wir haben dies bereits gesehen, als wir versuchten, Dielektrika zu verstehen. Um unsere Präsentation nicht zu unterbrechen, verschieben wir eine ausführliche Diskussion des inneren Mechanismus magnetischer Materialien wie Eisen. Vorerst muss man akzeptieren, dass jeglicher Magnetismus durch Ströme entsteht und dass in einem Permanentmagneten ständig innere Ströme fließen. Im Fall von Eisen werden diese Ströme durch Elektronen erzeugt, die sich um ihre eigene Achse drehen. Jedes Elektron hat einen Spin, der einem winzigen Kreisstrom entspricht. Ein Elektron erzeugt natürlich kein großes Magnetfeld, aber ein gewöhnliches Stück Materie enthält Milliarden und Abermilliarden von Elektronen. Normalerweise drehen sie sich in irgendeiner Weise, sodass der Gesamteffekt verschwindet. Überraschend ist, dass sich bei einigen Stoffen wie Eisen die meisten Elektronen um in eine Richtung gerichtete Achsen drehen – bei Eisen nehmen an dieser gemeinsamen Bewegung zwei Elektronen aus jedem Atom teil. Ein Magnet hat eine große Anzahl von Elektronen, die sich in die gleiche Richtung drehen, und wie wir sehen werden, entspricht ihre kombinierte Wirkung dem Strom, der auf der Oberfläche des Magneten zirkuliert. (Dies ist dem sehr ähnlich, was wir in Dielektrika gefunden haben – ein gleichmäßig polarisiertes Dielektrikum entspricht der Verteilung von Ladungen auf seiner Oberfläche.) Daher ist es kein Zufall, dass ein Magnetstab einem Solenoid entspricht.

Magnetfeld des elektrischen Stroms

Ein Magnetfeld wird nicht nur von natürlichen oder künstlichen erzeugt, sondern auch von einem Leiter, wenn ein elektrischer Strom durch ihn fließt. Daher besteht ein Zusammenhang zwischen magnetischen und elektrischen Phänomenen.

Es ist nicht schwer sicherzustellen, dass sich um den Leiter, durch den der Strom fließt, ein Magnetfeld bildet. Legen Sie über der beweglichen Magnetnadel einen geraden Leiter parallel dazu und leiten Sie einen elektrischen Strom durch ihn. Der Pfeil nimmt eine Position senkrecht zum Leiter ein.

Welche Kräfte könnten die Magnetnadel zum Drehen bringen? Offensichtlich die Stärke des Magnetfeldes, das um den Leiter herum entstanden ist. Schalten Sie den Strom ab und die Magnetnadel kehrt in ihre normale Position zurück. Dies deutet darauf hin, dass bei abgeschaltetem Strom auch das Magnetfeld des Leiters verschwand.

Somit erzeugt der durch den Leiter fließende elektrische Strom ein Magnetfeld. Um herauszufinden, in welche Richtung die Magnetnadel abweicht, wenden Sie die Rechte-Hand-Regel an. Wenn die rechte Hand mit der Handfläche nach unten über den Leiter gelegt wird, so dass die Richtung des Stroms mit der Richtung der Finger übereinstimmt, zeigt der gebogene Daumen die Richtung der Abweichung des Nordpols der unter dem Leiter platzierten Magnetnadel . Wenn Sie diese Regel verwenden und die Polarität des Pfeils kennen, können Sie auch die Richtung des Stroms im Leiter bestimmen.

Magnetfeld eines geraden Leiters hat die Form von konzentrischen Kreisen. Legt man die rechte Hand mit der Handfläche nach unten über den Leiter, so dass der Strom aus den Fingern zu kommen scheint, zeigt der gebogene Daumen auf den Nordpol der Magnetnadel.Ein solches Feld wird kreisförmiges Magnetfeld genannt.

Die Richtung der Kraftlinien eines kreisförmigen Feldes hängt im Leiter ab und wird durch die sog. bestimmt "Gimlet"-Regel. Wenn der Gimlet gedanklich in Stromrichtung geschraubt wird, stimmt die Drehrichtung seines Griffs mit der Richtung der Magnetfeldkraftlinien überein. Wenn Sie diese Regel anwenden, können Sie die Richtung des Stroms im Leiter herausfinden, wenn Sie die Richtung der Feldlinien des durch diesen Strom erzeugten Felds kennen.

Um auf das Experiment mit der Magnetnadel zurückzukommen, können wir dafür sorgen, dass sie sich mit ihrem nördlichen Ende immer in Richtung der magnetischen Feldlinien befindet.

So, Ein gerader Leiter, der von elektrischem Strom durchflossen wird, erzeugt um sich herum ein Magnetfeld. Es hat die Form konzentrischer Kreise und wird kreisförmiges Magnetfeld genannt.

Essiggurken e) Magnetfeld des Solenoids

Um jeden Leiter entsteht ein Magnetfeld, unabhängig von seiner Form, vorausgesetzt, dass ein elektrischer Strom durch den Leiter fließt.

In der Elektrotechnik haben wir es mit Windungen zu tun, die aus mehreren Windungen bestehen. Um das Magnetfeld der uns interessierenden Spule zu untersuchen, betrachten wir zunächst, welche Form das Magnetfeld einer Windung hat.

Stellen Sie sich eine Spule aus dickem Draht vor, die ein Blatt Pappe durchdringt und mit einer Stromquelle verbunden ist. Wenn ein elektrischer Strom durch eine Spule fließt, bildet sich um jeden einzelnen Teil der Spule ein ringförmiges Magnetfeld. Nach der „Gimlet“-Regel lässt sich leicht feststellen, dass die magnetischen Kraftlinien innerhalb der Spule die gleiche Richtung haben (auf uns zu oder von uns weg, je nach Richtung des Stroms in der Spule) und von einer ausgehen Seite der Spule und geben Sie die andere Seite ein. Eine Reihe solcher Spulen, die die Form einer Spirale haben, ist die sogenannte Solenoid (Spule).

Um das Solenoid herum wird, wenn ein Strom durch es fließt, ein Magnetfeld gebildet. Es wird durch Addition der Magnetfelder jeder Windung erhalten und ähnelt in seiner Form dem Magnetfeld eines geradlinigen Magneten. Die Kraftlinien des Magnetfelds des Solenoids treten ebenso wie bei einem geradlinigen Magneten an einem Ende des Solenoids aus und kehren zum anderen zurück. Innerhalb des Solenoids haben sie die gleiche Richtung. Somit haben die Enden des Solenoids Polarität. Das Ende, aus dem die Kraftlinien herauskommen, ist Nordpol Solenoid, und das Ende, in das die Kraftlinien eintreten, ist sein Südpol.

Magnetpole bestimmt werden kann durch Regel der rechten Hand, aber dazu müssen Sie die Richtung des Stroms in seinen Windungen kennen. Wenn Sie Ihre rechte Hand mit der Handfläche nach unten auf die Magnetspule legen, so dass der Strom aus Ihren Fingern zu kommen scheint, zeigt der gebogene Daumen zum Nordpol der Magnetspule. Aus dieser Regel folgt, dass die Polarität des Solenoids von der Richtung des Stroms darin abhängt. Dies lässt sich praktisch leicht nachprüfen, indem man eine Magnetnadel an einen der Pole des Elektromagneten bringt und dann die Richtung des Stroms im Elektromagneten ändert. Der Pfeil dreht sich sofort um 180°, d. h. er zeigt an, dass sich die Pole des Solenoids geändert haben.

Der Elektromagnet hat die Eigenschaft, leichte Eisengegenstände in sich hineinzuziehen. Wenn eine Stahlstange in den Elektromagneten eingelegt wird, wird der Stab nach einiger Zeit unter dem Einfluss des Magnetfelds des Elektromagneten magnetisiert. Dieses Verfahren wird bei der Herstellung verwendet.

Elektromagnete

Es ist eine Spule (Solenoid) mit einem darin platzierten Eisenkern. Die Formen und Größen von Elektromagneten sind unterschiedlich, aber die allgemeine Anordnung ist bei allen gleich.

Die Spule eines Elektromagneten ist ein Rahmen, der meistens aus Pressspan oder Faser besteht und je nach Zweck des Elektromagneten verschiedene Formen hat. Ein kupferisolierter Draht wird in mehreren Lagen auf den Rahmen gewickelt - die Wicklung eines Elektromagneten. Es hat eine unterschiedliche Anzahl von Windungen und besteht aus Draht mit unterschiedlichen Durchmessern, je nach Verwendungszweck des Elektromagneten.

Um die Wicklungsisolation vor mechanischer Beschädigung zu schützen, wird die Wicklung mit einer oder mehreren Lagen Papier oder einem anderen Isoliermaterial abgedeckt. Anfang und Ende der Wicklung werden herausgeführt und mit den am Rahmen montierten Ausgangsklemmen oder mit flexiblen Leitern mit Kabelschuhen an den Enden verbunden.

Die Elektromagnetspule ist auf einem Kern aus weichem, geglühtem Eisen oder Eisenlegierungen mit Silizium, Nickel usw. montiert. Solches Eisen hat die geringsten Rückstände. Kerne werden meistens aus dünnen Blechen zusammengesetzt, die voneinander isoliert sind. Die Form der Kerne kann je nach Verwendungszweck des Elektromagneten unterschiedlich sein.

Wird durch die Wicklung eines Elektromagneten ein elektrischer Strom geleitet, entsteht um die Wicklung herum ein Magnetfeld, das den Kern magnetisiert. Da der Kern aus Weicheisen besteht, wird er sofort magnetisiert. Wenn der Strom dann abgeschaltet wird, verschwinden auch die magnetischen Eigenschaften des Kerns schnell und er hört auf, ein Magnet zu sein. Die Pole eines Elektromagneten werden wie bei einem Solenoid durch die Rechte-Hand-Regel bestimmt. Wenn die Wicklung des Elektromagneten geändert wird, ändert sich die Polarität des Elektromagneten entsprechend.

Die Wirkungsweise eines Elektromagneten ähnelt der eines Permanentmagneten. Es gibt jedoch einen großen Unterschied zwischen ihnen. Ein Permanentmagnet hat immer magnetische Eigenschaften und ein Elektromagnet nur dann, wenn ein elektrischer Strom durch seine Wicklung fließt.

Außerdem bleibt die Anziehungskraft eines Permanentmagneten unverändert, da der magnetische Fluss eines Permanentmagneten unverändert ist. Die Anziehungskraft eines Elektromagneten ist kein konstanter Wert. Derselbe Elektromagnet kann unterschiedliche Anziehungskräfte haben. Die Anziehungskraft eines Magneten hängt von der Größe seines magnetischen Flusses ab.

Die Anziehungskraft und damit sein magnetischer Fluss hängt von der Größe des Stroms ab, der durch die Wicklung dieses Elektromagneten fließt. Je größer der Strom ist, desto größer ist die Anziehungskraft des Elektromagneten, und umgekehrt, je kleiner der Strom in der Wicklung des Elektromagneten ist, desto weniger Kraft zieht er magnetische Körper an sich.

Bei Elektromagneten unterschiedlicher Bauart und Größe hängt die Anziehungskraft jedoch nicht nur von der Größe des Stroms in der Wicklung ab. Nimmt man zum Beispiel zwei Elektromagnete gleicher Bauart und Abmessungen, aber einen mit einer kleinen Windungszahl, den anderen mit einer viel größeren Zahl, dann sieht man leicht, dass bei gleichem Strom die Anziehungskraft abnimmt Letzteres wird viel größer sein. Je größer die Anzahl der Windungen der Wicklung ist, desto stärker wird bei einem bestimmten Strom ein Magnetfeld um diese Wicklung herum erzeugt, da es sich aus den Magnetfeldern jeder Windung zusammensetzt. Das bedeutet, dass der magnetische Fluss des Elektromagneten und damit seine Anziehungskraft umso größer ist, je größer die Windungszahl der Wicklung ist.

Es gibt noch einen weiteren Grund, der die Größe des magnetischen Flusses eines Elektromagneten beeinflusst. Das ist die Qualität seines Magnetkreises. Ein magnetischer Kreis ist ein Pfad, entlang dem sich ein magnetischer Fluss schließt. Der Magnetkreis hat eine gewisse magnetischer Widerstand. Der magnetische Widerstand hängt von der magnetischen Permeabilität des Mediums ab, durch das der magnetische Fluss fließt. Je größer die magnetische Permeabilität dieses Mediums ist, desto geringer ist sein magnetischer Widerstand.

Seit M Die magnetische Permeabilität von ferromagnetischen Körpern (Eisen, Stahl) ist um ein Vielfaches größer als die magnetische Permeabilität von Luft, daher ist es rentabler, Elektromagnete so herzustellen, dass ihr Magnetkreis keine Luftabschnitte enthält. Das Produkt aus dem Strom und der Anzahl der Windungen in der Wicklung eines Elektromagneten wird als bezeichnet magnetomotorische Kraft. Die magnetomotorische Kraft wird durch die Anzahl der Amperewindungen gemessen.

Beispielsweise führt die Wicklung eines Elektromagneten mit 1200 Windungen einen Strom von 50 mA. Magnetische Antriebskraft so ein Elektromagnet entspricht 0,05 x 1200 = 60 Ampere Windungen.

Die Wirkung der magnetomotorischen Kraft ähnelt der Wirkung der elektromotorischen Kraft in einem elektrischen Stromkreis. So wie EMF einen elektrischen Strom verursacht, erzeugt die magnetomotorische Kraft einen magnetischen Fluss in einem Elektromagneten. So wie in einem Stromkreis mit einer Erhöhung der EMF der Strom im Preis steigt, so steigt in einem Magnetkreis mit einer Erhöhung der magnetomotorischen Kraft der magnetische Fluss.

Aktion magnetischer Widerstandähnlich der Wirkung des elektrischen Widerstands des Stromkreises. Da der Strom mit zunehmendem Widerstand eines elektrischen Kreises abnimmt, so in einem magnetischen Kreis eine Erhöhung des magnetischen Widerstands bewirkt eine Verringerung des magnetischen Flusses.

Die Abhängigkeit des magnetischen Flusses eines Elektromagneten von der magnetomotorischen Kraft und seinem magnetischen Widerstand kann durch eine Formel ähnlich der Formel des Ohmschen Gesetzes ausgedrückt werden: magnetomotorische Kraft \u003d (magnetischer Fluss / magnetischer Widerstand)

Der magnetische Fluss ist gleich der magnetomotorischen Kraft dividiert durch den magnetischen Widerstand.

Die Anzahl der Windungen der Wicklung und der magnetische Widerstand für jeden Elektromagneten ist ein konstanter Wert. Daher ändert sich der magnetische Fluss eines bestimmten Elektromagneten nur mit einer Änderung des durch die Wicklung fließenden Stroms. Da die Anziehungskraft eines Elektromagneten durch seinen Magnetfluss bestimmt wird, muss der Strom in seiner Wicklung entsprechend erhöht (oder verringert) werden, um die Anziehungskraft eines Elektromagneten zu erhöhen (oder zu verringern).

polarisierter Elektromagnet

Ein polarisierter Elektromagnet ist eine Kombination aus einem Permanentmagneten und einem Elektromagneten. Es ist so angeordnet. An den Polen des Permanentmagneten sind sogenannte Weicheisen-Polverlängerungen angebracht. Jede Polverlängerung dient als Kern eines Elektromagneten, auf dem eine Spule mit Wicklung montiert ist. Beide Wicklungen sind in Reihe geschaltet.

Da die Polverlängerungen direkt an den Polen eines Permanentmagneten befestigt sind, haben sie auch ohne Strom in den Wicklungen magnetische Eigenschaften; gleichzeitig bleibt ihre Anziehungskraft unverändert und wird durch den magnetischen Fluss eines Permanentmagneten bestimmt.

Die Wirkung eines polarisierten Elektromagneten liegt in der Tatsache, dass, wenn Strom durch seine Wicklungen fließt, die Anziehungskraft seiner Pole je nach Größe und Richtung des Stroms in den Wicklungen zunimmt oder abnimmt. Auf dieser Eigenschaft eines polarisierten Elektromagneten ist die Wirkung anderer elektronische Geräte.

Einwirkung eines Magnetfeldes auf einen stromdurchflossenen Leiter

Wenn ein Leiter senkrecht zu den Feldlinien in ein Magnetfeld gebracht wird und ein elektrischer Strom durch diesen Leiter geleitet wird, bewegt sich der Leiter und wird aus dem Magnetfeld herausgedrückt.

Durch die Wechselwirkung des Magnetfeldes mit dem elektrischen Strom setzt sich der Leiter in Bewegung, d.h. die elektrische Energie wird in mechanische Energie umgewandelt.

Die Kraft, mit der der Leiter aus dem Magnetfeld herausgedrückt wird, hängt von der Größe des magnetischen Flusses des Magneten, der Stromstärke im Leiter und der Länge des Teils des Leiters ab, den die Feldlinien kreuzen. Die Richtung dieser Kraft, also die Bewegungsrichtung des Leiters, hängt von der Stromrichtung im Leiter ab und wird durch bestimmt Regel der linken Hand.

Wenn Sie die linke Handfläche so halten, dass sie die magnetischen Feldlinien des Feldes enthält und die ausgestreckten vier Finger in Richtung des Stroms im Leiter zeigen, zeigt der gebogene Daumen die Bewegungsrichtung des Leiters an. Bei der Anwendung dieser Regel müssen wir bedenken, dass die Feldlinien aus dem Nordpol des Magneten kommen.