Puteți arăta cum să utilizați legea lui Ampère determinând câmpul magnetic din apropierea firului. Ne punem întrebarea: care este câmpul în afara unui fir drept lung de secțiune transversală cilindrică? Vom face o presupunere, poate nu atât de evidentă, dar totuși corectă: liniile de câmp înconjoară firul într-un cerc. Dacă facem această ipoteză, atunci legea lui Ampère [ecuația (13.16)] ne spune care este mărimea câmpului. Datorită simetriei problemei, câmpul are aceeași valoare în toate punctele cercului concentrice cu firul (Fig. 13.7). Atunci se poate lua cu ușurință integrala dreaptă a lui . Este pur și simplu egală cu valoarea înmulțită cu circumferința. Dacă raza cercului este , atunci

.

Curentul total prin buclă este doar curentul din fir, deci

. (13.17)

Intensitatea câmpului magnetic scade invers cu distanța față de axa firului. Dacă se dorește, ecuația (13.17) poate fi scrisă sub formă vectorială. Ținând minte că direcția este perpendiculară pe ambele , și , avem

(13.18)

Figura 13.7. Câmp magnetic în afara unui fir lung care poartă curent.

Figura 13.8. Câmp magnetic al unui solenoid lung.

Am evidențiat multiplicatorul pentru că apare frecvent. Merită să ne amintim că este egal cu exact (în sistemul SI de unități), deoarece o ecuație de forma (13.17) este folosită pentru a determina unitatea de curent, amperul. La distanță, curentul care intră creează un câmp magnetic egal cu .

Deoarece curentul creează un câmp magnetic, acesta va acționa cu o oarecare forță asupra firului adiacent, prin care trece și curentul. În cap. 1 am descris un experiment simplu care arată forțele dintre două fire care transportă un curent. Dacă firele sunt paralele, atunci fiecare este perpendicular pe câmpul celuilalt fir; atunci firele se vor respinge sau vor fi atrase unele de altele. Când curenții curg într-o direcție, firele se atrag; când curenții curg în direcția opusă, se resping.

Să luăm un alt exemplu, care poate fi analizat și folosind legea lui Ampère, dacă adăugăm câteva informații despre natura câmpului. Să existe un fir lung încolăcit într-o spirală strânsă, a cărei secțiune este prezentată în Fig. 13.8. O astfel de bobină se numește solenoid. Observăm experimental că atunci când lungimea unui solenoid este foarte mare în comparație cu diametrul său, câmpul din exterior este foarte mic în comparație cu câmpul din interior. Folosind doar acest fapt și legea lui Ampère, se poate găsi mărimea câmpului din interior.

Deoarece câmpul rămâne în interior (și are divergență zero), liniile sale ar trebui să fie paralele cu axa, așa cum se arată în Fig. 13.8. Dacă da, atunci putem folosi legea lui Ampère pentru „curba” dreptunghiulară din figură. Această curbă parcurge o distanță în interiorul solenoidului unde se află câmpul, de exemplu, , apoi merge în unghi drept față de câmp și se întoarce înapoi peste regiunea exterioară unde câmpul poate fi neglijat. Integrala de linie de-a lungul acestei curbe este exact , și aceasta trebuie să fie egală cu orificiile curentului total din interiorul , i.e. pornit (unde este numărul de spire ale solenoidului de-a lungul lungimii). Noi avem

Sau, introducând - numărul de spire pe unitatea de lungime a solenoidului (deci ), obținem

Figura 13.9. Câmp magnetic în afara solenoidului.

Ce se întâmplă cu liniile când ajung la capătul solenoidului? Aparent, ele diverg cumva și revin la solenoid de la celălalt capăt (Fig. 13.9). Exact același câmp este observat în afara baghetei magnetice. Ei bine, ce este un magnet? Ecuațiile noastre spun că câmpul provine din prezența curenților. Și știm că barele obișnuite de fier (nu bateriile sau generatoarele) creează și câmpuri magnetice. Vă puteți aștepta ca în partea dreaptă a (13.12) sau (13.13) să fie alți termeni reprezentând „densitatea fierului magnetizat” sau o cantitate similară. Dar nu există un astfel de membru. Teoria noastră spune că efectele magnetice ale fierului provin dintr-un fel de curenți interni deja luați în considerare de termenul .

Materia este foarte complexă când este privită dintr-un punct de vedere profund; am văzut deja asta când am încercat să înțelegem dielectricii. Pentru a nu întrerupe prezentarea noastră, amânăm o discuție detaliată a mecanismului intern al materialelor magnetice precum fierul. Deocamdată, va fi necesar să acceptăm că orice magnetism apare din cauza curenților și că există curenți interni constante într-un magnet permanent. În cazul fierului, acești curenți sunt creați de electroni care se rotesc în jurul propriilor axe. Fiecare electron are un spin care corespunde unui mic curent circulant. Un electron, desigur, nu dă un câmp magnetic mare, dar o bucată obișnuită de materie conține miliarde și miliarde de electroni. De obicei se rotesc în orice fel, astfel încât efectul total să dispară. Este surprinzător faptul că în câteva substanțe precum fierul, majoritatea electronilor se rotesc în jurul axelor direcționate într-o direcție - în fier, doi electroni din fiecare atom iau parte la această mișcare comună. Un magnet are un număr mare de electroni care se rotesc în aceeași direcție și, după cum vom vedea, efectul lor combinat este echivalent cu curentul care circulă pe suprafața magnetului. (Acest lucru este foarte asemănător cu ceea ce am găsit în dielectrici - un dielectric polarizat uniform este echivalent cu distribuția sarcinilor pe suprafața sa.) Deci nu este o coincidență că o baghetă magnetică este echivalentă cu un solenoid.

Dacă un ac magnetic este adus la un conductor drept cu curent, atunci acesta va tinde să devină perpendicular pe planul care trece prin axa conductorului și centrul de rotație al săgeții (Fig. 67). Acest lucru indică faptul că asupra acului acționează forțe speciale, care sunt numite magnetice. Cu alte cuvinte, dacă un curent electric trece printr-un conductor, atunci apare un câmp magnetic în jurul conductorului. Câmpul magnetic poate fi considerat ca o stare specială a spațiului care înconjoară conductorii cu curent.

Dacă treceți un conductor gros prin card și treceți un curent electric prin acesta, atunci pilitura de oțel presărată pe carton vor fi amplasate în jurul conductorului în cercuri concentrice, care în acest caz sunt așa-numitele linii magnetice (Fig. 68). Putem muta cartonul în sus sau în jos pe conductor, dar locația piliilor de oțel nu se va schimba. Prin urmare, un câmp magnetic apare în jurul conductorului pe toată lungimea acestuia.

Dacă puneți mici săgeți magnetice pe carton, atunci schimbând direcția curentului în conductor, puteți vedea că săgețile magnetice se vor întoarce (Fig. 69). Aceasta arată că direcția liniilor magnetice se modifică odată cu direcția curentului în conductor.

Câmpul magnetic din jurul unui conductor cu curent are următoarele caracteristici: liniile magnetice ale unui conductor rectiliniu sunt sub formă de cercuri concentrice; cu cât sunt mai aproape de conductor, cu cât liniile magnetice sunt mai dense, cu atât inducția magnetică este mai mare; inducția magnetică (intensitatea câmpului) depinde de mărimea curentului din conductor; direcția liniilor magnetice depinde de direcția curentului din conductor.

Pentru a arăta direcția curentului în conductorul prezentat în secțiune, se adoptă un simbol, pe care îl vom folosi în viitor. Dacă punem mental o săgeată în conductor în direcția curentului (Fig. 70), atunci în conductor, curentul în care este îndreptat departe de noi, vom vedea coada penajul săgeții (cruce); dacă curentul este îndreptat spre noi, vom vedea vârful săgeții (punctul).

Direcția liniilor magnetice în jurul unui conductor cu curent poate fi determinată de „regula brațului”. Dacă un șurub (tibușon) cu filet din dreapta se deplasează înainte în direcția curentului, atunci sensul de rotație al mânerului va coincide cu direcția liniilor magnetice din jurul conductorului (Fig. 71).

Orez. 71. Determinarea direcției liniilor magnetice în jurul unui conductor cu curent după „regula brațului”

Un ac magnetic introdus în câmpul unui conductor care poartă curent este situat de-a lungul liniilor magnetice. Prin urmare, pentru a-i determina locația, puteți utiliza și „Regula Gimlet” (Fig. 72).

Orez. 72. Determinarea direcției de abatere a unui ac magnetic adus la un conductor cu curent, după „regula unui braț”

Câmpul magnetic este una dintre cele mai importante manifestări ale curentului electric și nu poate fi obținut independent și separat de curent.

La magneții permanenți, câmpul magnetic este cauzat și de mișcarea electronilor care formează atomii și moleculele magnetului.

Intensitatea câmpului magnetic în fiecare dintre punctele sale este determinată de mărimea inducției magnetice, care este de obicei notă cu litera B. Inducția magnetică este o mărime vectorială, adică este caracterizată nu numai de o anumită valoare, dar şi printr-o anumită direcţie în fiecare punct al câmpului magnetic. Direcția vectorului de inducție magnetică coincide cu tangenta la linia magnetică într-un punct dat al câmpului (Fig. 73).

Ca urmare a generalizării datelor experimentale, oamenii de știință francezi Biot și Savard au descoperit că inducția magnetică B (intensitatea câmpului magnetic) la o distanță r de un conductor de curent rectiliniu infinit este determinată de expresia

unde r este raza cercului trasat prin punctul considerat al câmpului; centrul cercului este pe axa conductorului (2πr - circumferinta);

I este cantitatea de curent care trece prin conductor.

Valoarea lui μ a, care caracterizează proprietățile magnetice ale mediului, se numește permeabilitatea magnetică absolută a mediului.

Pentru vid, permeabilitatea magnetică absolută are o valoare minimă și se obișnuiește să o desemnăm μ 0 și să o numim permeabilitatea magnetică absolută a vidului.

1 h = 1 ohm⋅sec.

Raportul μ a / μ 0 , care arată de câte ori este mai mare permeabilitatea magnetică absolută a unui mediu dat decât permeabilitatea magnetică absolută a golului, se numește permeabilitate magnetică relativă și este notat cu litera μ.

În Sistemul Internațional de Unități (SI), unitățile de măsură ale inducției magnetice B sunt acceptate - tesla sau weber pe metru pătrat (t, wb / m 2).

În practica ingineriei, inducția magnetică este de obicei măsurată în gauss (gauss): 1 t = 10 4 gauss.

Dacă în toate punctele câmpului magnetic vectorii de inducție magnetică sunt egali ca mărime și paraleli între ei, atunci un astfel de câmp se numește omogen.

Produsul inducției magnetice B și mărimea ariei S, perpendiculară pe direcția câmpului (vector de inducție magnetică), se numește fluxul vectorului de inducție magnetică sau pur și simplu flux magnetic și este notat cu litera Φ ( Fig. 74):

În Sistemul Internațional, unitatea de măsură pentru fluxul magnetic este weber (wb).

În calculele de inginerie, fluxul magnetic este măsurat în maxwells (µs):

1 wb \u003d 10 8 μs.

Când se calculează câmpurile magnetice, se folosește și o cantitate numită intensitatea câmpului magnetic (notat H). Inducția magnetică B și intensitatea câmpului magnetic H sunt legate prin relație

Unitatea de măsură pentru intensitatea câmpului magnetic H este amperi pe metru (a/m).

Puterea câmpului magnetic într-un mediu omogen, precum și inducția magnetică, depind de mărimea curentului, de numărul și forma conductorilor prin care trece curentul. Dar, spre deosebire de inducția magnetică, intensitatea câmpului magnetic nu ține cont de influența proprietăților magnetice ale mediului.

Dacă un ac magnetic este adus la un conductor drept cu curent electric, atunci acesta va tinde să devină perpendicular pe planul care trece prin axa conductorului și centrul de rotație al săgeții. Acest lucru indică faptul că asupra acului acționează forțe speciale, care sunt numite forțe magnetice. Pe lângă faptul că acționează asupra unui ac magnetic, un câmp magnetic afectează particulele încărcate în mișcare și conductorii purtători de curent care se află într-un câmp magnetic. În conductorii care se mișcă într-un câmp magnetic sau în conductorii staționari într-un câmp magnetic alternativ, un e inductiv. d.s.

În conformitate cu cele de mai sus, putem da următoarea definiție a câmpului magnetic.

Un câmp magnetic este una dintre cele două părți ale câmpului electromagnetic, excitat de sarcinile electrice ale particulelor în mișcare și de o modificare a câmpului electric și caracterizat printr-un efect de forță asupra particulelor încărcate în mișcare și, prin urmare, asupra curenților electrici.

Dacă un conductor gros este trecut prin carton și trece un curent electric prin acesta, atunci pilitura de oțel presărată pe carton va fi amplasată în jurul conductorului în cercuri concentrice, care în acest caz sunt așa-numitele linii de inducție magnetică (Fig. . 78). Putem muta cartonul în sus sau în jos pe conductor, dar locația piliilor de oțel nu se va schimba. Prin urmare, un câmp magnetic apare în jurul conductorului pe toată lungimea acestuia.

Dacă puneți săgeți magnetice mici pe carton, atunci schimbând direcția curentului în conductor, puteți vedea că săgețile magnetice se vor întoarce (Fig. 79). Aceasta arată că direcția liniilor de inducție magnetică se modifică odată cu direcția curentului în conductor.

Liniile de inducție magnetică în jurul unui conductor cu curent au următoarele proprietăți: 1) liniile de inducție magnetică ale unui conductor rectiliniu sunt sub formă de cercuri concentrice; 2) cu cât sunt mai aproape de conductor, cu atât liniile de inducție magnetică sunt mai dense; 3) inducția magnetică (intensitatea câmpului) depinde de mărimea curentului din conductor; 4) direcția liniilor de inducție magnetică depinde de direcția curentului în conductor.

Direcția liniilor de inducție magnetică în jurul unui conductor cu curent poate fi determinată de „regula brațului:”. Dacă un șurub (tibușon) cu filet din dreapta se deplasează înainte în direcția curentului, atunci sensul de rotație al mânerului va coincide cu direcția liniilor de inducție magnetică din jurul conductorului (Fig. 81),

Un ac magnetic introdus în câmpul unui conductor purtător de curent este situat de-a lungul liniilor de inducție magnetică. Prin urmare, pentru a-i determina locația, puteți folosi și „regula gimletului” (Fig. 82). Câmpul magnetic este una dintre cele mai importante manifestări ale curentului electric și nu poate fi

Obținut independent și separat de curent. Câmpul magnetic este caracterizat de vectorul de inducție magnetică, care, prin urmare, are o anumită mărime și o anumită direcție în spațiu.

O expresie cantitativă pentru inducția magnetică ca rezultat al generalizării datelor experimentale a fost stabilită de Biot și Savart (Fig. 83). Măsurând câmpurile magnetice ale curenților electrici de diferite dimensiuni și forme prin deviația acului magnetic, ambii oameni de știință au ajuns la concluzia că fiecare element de curent creează un câmp magnetic la o anumită distanță de sine, a cărui inducție magnetică AB este direct proporțională. cu lungimea A1 a acestui element, mărimea curentului care curge I, sinusul unghiul a dintre direcția curentului și vectorul rază care leagă punctul de câmp de interes pentru noi cu un element curent dat și este invers proporțional cu pătratul lungimii acestui vector cu rază r:

henry (h) - unitate de inductanță; 1 h= 1 ohm sec.

- permeabilitatea magnetică relativă - un coeficient adimensional care arată de câte ori permeabilitatea magnetică a unui material dat este mai mare decât permeabilitatea magnetică a golului. Dimensiunea inducției magnetice poate fi găsită prin formula

volt-secundă este altfel numit weber (vb):

În practică, există o unitate mai mică de inducție magnetică, gauss (gs):

Legea lui Biot și Savart vă permite să calculați inducția magnetică a unui conductor drept infinit de lung:

unde este distanța de la conductor până la punctul în care

Inductie magnetica. Raportul dintre inducția magnetică și produsul permeabilităților magnetice se numește intensitatea câmpului magnetic și este notat cu litera H:

Ultima ecuație leagă două mărimi magnetice: inducția și puterea câmpului magnetic. Să găsim dimensiunea H:

Uneori folosesc o altă unitate de tensiune - un oersted (er):

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

Intensitatea câmpului magnetic H, ca și inducția magnetică B, este o mărime vectorială.

O linie tangentă la fiecare punct al cărei punct coincide cu direcția vectorului de inducție magnetică se numește linie de inducție magnetică sau linie de inducție magnetică.

Produsul inducției magnetice cu dimensiunea ariei perpendiculare pe direcția câmpului (vector de inducție magnetică) se numește fluxul vectorului de inducție magnetică sau pur și simplu flux magnetic și este notat cu litera F:

Dimensiunea fluxului magnetic:

adică fluxul magnetic este măsurat în volți-secunde sau weberi. O unitate mai mică de flux magnetic este maxwell (µs):

1 wb = 108 µs. 1 µs = 1 gs cm2.

Puteți arăta cum să utilizați legea lui Ampère determinând câmpul magnetic din apropierea firului. Ne punem întrebarea: care este câmpul în afara unui fir drept lung de secțiune transversală cilindrică? Vom face o presupunere, poate nu atât de evidentă, dar totuși corectă: liniile câmpului B înconjoară firul într-un cerc. Dacă facem această ipoteză, atunci legea lui Ampère [ecuația (13.16)] ne spune care este mărimea câmpului. Datorită simetriei problemei, câmpul B are aceeași valoare în toate punctele cercului concentric cu firul (Fig. 13.7). Atunci se poate lua cu ușurință integrala dreaptă a lui B·ds. Este pur și simplu de B ori circumferința. Dacă raza cercului este r, apoi

Curentul total prin buclă este pur și simplu curentul / din fir, deci

Intensitatea câmpului magnetic scade invers proporțional r, distanta fata de axa firului. Dacă se dorește, ecuația (13.17) poate fi scrisă sub formă vectorială. Reamintind că B este direcționat perpendicular atât pe I, cât și pe r, avem

Am evidențiat factorul 1/4πε 0 cu 2, deoarece apare adesea. Merită să ne amintim că este exact 10 - 7 (în unități SI), deoarece o ecuație ca (13.17) este folosită pentru a definiții unități de curent, amperi. La o distanta de 1 m un curent de 1 a creează un câmp magnetic egal cu 2 10 - 7 weber/m 2 .

Deoarece curentul creează un câmp magnetic, acesta va acționa cu o oarecare forță asupra firului adiacent, prin care trece și curentul. În cap. 1 am descris un experiment simplu care arată forțele dintre două fire care transportă un curent. Dacă firele sunt paralele, atunci fiecare dintre ele este perpendicular pe câmpul B al celuilalt fir; atunci firele se vor respinge sau vor fi atrase unele de altele. Când curenții curg într-o direcție, firele se atrag; când curenții curg în direcția opusă, se resping.

Să luăm un alt exemplu, care poate fi analizat și folosind legea lui Ampère, dacă adăugăm câteva informații despre natura câmpului. Să existe un fir lung încolăcit într-o spirală strânsă, a cărei secțiune este prezentată în Fig. 13.8. Această spirală se numește solenoid. Observăm experimental că atunci când lungimea unui solenoid este foarte mare în comparație cu diametrul său, câmpul din exterior este foarte mic în comparație cu câmpul din interior. Folosind doar acest fapt și legea lui Ampère, se poate găsi mărimea câmpului din interior.

De pe teren ramaneîn interior (și are divergență zero), liniile sale ar trebui să fie paralele cu axa, așa cum se arată în Fig. 13.8. Dacă acesta este cazul, atunci putem folosi legea lui Ampère pentru „curba” dreptunghiulară Γ din figură. Această curbă parcurge distanța L în interiorul solenoidului, unde câmpul este, să zicem, egal cu B o, apoi merge în unghi drept față de câmp și se întoarce înapoi de-a lungul regiunii exterioare, unde câmpul poate fi neglijat. Integrala de linie a lui B de-a lungul acestei curbe este exact La 0 l, iar acesta ar trebui să fie egal cu 1/ε 0 s de 2 ori curentul total din interiorul G, adică, N.I.(unde N este numărul de spire ale solenoidului de-a lungul lungimii L). Noi avem

Sau, prin intrare n- numărul de ture pe unitate de lungime solenoid (deci n= N/L), primim

Ce se întâmplă cu liniile B când ajung la capătul solenoidului? Aparent, ele diverg cumva și revin la solenoid de la celălalt capăt (Fig. 13.9). Exact același câmp este observat în afara baghetei magnetice. bine si ce este magnet? Ecuațiile noastre spun că câmpul B provine din prezența curenților. Și știm că barele obișnuite de fier (nu bateriile sau generatoarele) creează și câmpuri magnetice. Vă puteți aștepta ca în partea dreaptă a (13.12) sau (16.13) să fie alți termeni reprezentând „densitatea fierului magnetizat” sau o cantitate similară. Dar nu există un astfel de membru. Teoria noastră spune că efectele magnetice ale fierului provin din niște curenți interni luați deja în considerare de termenul j.

Materia este foarte complexă când este privită dintr-un punct de vedere profund; am văzut deja asta când am încercat să înțelegem dielectricii. Pentru a nu întrerupe prezentarea noastră, amânăm o discuție detaliată a mecanismului intern al materialelor magnetice precum fierul. Deocamdată, va fi necesar să acceptăm că orice magnetism apare din cauza curenților și că există curenți interni constante într-un magnet permanent. În cazul fierului, acești curenți sunt creați de electroni care se rotesc în jurul propriilor axe. Fiecare electron are un spin care corespunde unui mic curent circulant. Un electron, desigur, nu dă un câmp magnetic mare, dar o bucată obișnuită de materie conține miliarde și miliarde de electroni. De obicei se rotesc în orice fel, astfel încât efectul total să dispară. Este surprinzător că în câteva substanțe precum fierul, majoritatea electronilor se rotesc în jurul axelor direcționate într-o direcție - în fier, doi electroni din fiecare atom iau parte la această mișcare comună. Un magnet are un număr mare de electroni care se rotesc în aceeași direcție și, după cum vom vedea, efectul lor combinat este echivalent cu curentul care circulă pe suprafața magnetului. (Acest lucru este foarte asemănător cu ceea ce am găsit în dielectrici - un dielectric polarizat uniform este echivalent cu distribuția sarcinilor pe suprafața sa.) Prin urmare, nu este o coincidență că o baghetă magnetică este echivalentă cu un solenoid.

Câmp magnetic al curentului electric

Un câmp magnetic este creat nu numai de cele naturale sau artificiale, ci și de un conductor dacă trece un curent electric prin el. Prin urmare, există o legătură între fenomenele magnetice și cele electrice.

Nu este dificil să vă asigurați că în jurul conductorului prin care trece curentul se formează un câmp magnetic. Deasupra acului magnetic mobil, plasați un conductor drept paralel cu acesta și treceți un curent electric prin el. Săgeata va lua o poziție perpendiculară pe conductor.

Ce forțe ar putea face acul magnetic să se întoarcă? Evident, puterea câmpului magnetic care a apărut în jurul conductorului. Opriți curentul și acul magnetic va reveni la poziția sa normală. Acest lucru sugerează că, cu curentul oprit, câmpul magnetic al conductorului a dispărut și el.

Astfel, curentul electric care trece prin conductor creează un câmp magnetic. Pentru a afla în ce direcție se va abate acul magnetic, aplicați regula mâinii drepte. Dacă mâna dreaptă este plasată peste conductor cu palma în jos, astfel încât direcția curentului să coincidă cu direcția degetelor, atunci degetul mare îndoit va arăta direcția de abatere a polului nord al acului magnetic plasat sub conductor. . Folosind această regulă și cunoscând polaritatea săgeții, puteți determina și direcția curentului în conductor.

Câmp magnetic al unui conductor drept are forma unor cercuri concentrice. Dacă puneți mâna dreaptă peste conductor cu palma în jos, astfel încât curentul să pară să iasă din degete, atunci degetul mare îndoit va îndrepta către polul nord al acului magnetic.Un astfel de câmp se numește câmp magnetic circular.

Direcția liniilor de forță ale unui câmp circular depinde de conductor și este determinată de așa-numita Regula „Gimlet”.. Dacă brațul este înșurubat mental în direcția curentului, atunci sensul de rotație al mânerului său va coincide cu direcția liniilor de forță a câmpului magnetic. Aplicând această regulă, puteți afla direcția curentului în conductor, dacă cunoașteți direcția liniilor de câmp ale câmpului creat de acest curent.

Revenind la experimentul cu acul magnetic, putem fi convinși că acesta este întotdeauna situat cu capătul nordic în direcția liniilor câmpului magnetic.

Asa de, Un conductor drept care poartă un curent electric creează un câmp magnetic în jurul lui. Are forma unor cercuri concentrice și se numește câmp magnetic circular.

Murături e. Câmp magnetic solenoid

Un câmp magnetic ia naștere în jurul oricărui conductor, indiferent de forma acestuia, cu condiția ca un curent electric să treacă prin conductor.

În inginerie electrică, avem de-a face, constând dintr-un număr de ture. Pentru a studia câmpul magnetic al bobinei care ne interesează, luăm în considerare mai întâi ce formă are câmpul magnetic al unei spire.

Imaginați-vă o bobină de sârmă groasă care pătrunde într-o foaie de carton și este conectată la o sursă de curent. Când un curent electric trece printr-o bobină, în jurul fiecărei părți individuale a bobinei se formează un câmp magnetic circular. Conform regulii „gimlet”, este ușor de determinat că liniile de forță magnetice din interiorul bobinei au aceeași direcție (spre sau departe de noi, în funcție de direcția curentului din bobină) și ies dintr-o singură direcție. partea bobinei și intră pe cealaltă parte. O serie de astfel de bobine, având forma unei spirale, este așa-numita solenoid (bobina).

În jurul solenoidului, când trece un curent prin acesta, se formează un câmp magnetic. Se obține prin adăugarea câmpurilor magnetice ale fiecărei bobine și seamănă cu câmpul magnetic al unui magnet rectiliniu în formă. Liniile de forță ale câmpului magnetic al solenoidului, precum și într-un magnet rectiliniu, ies dintr-un capăt al solenoidului și revin la celălalt. În interiorul solenoidului, au aceeași direcție. Astfel, capetele solenoidului au polaritate. Sfârșitul din care ies liniile de forță este polul Nord solenoid, iar capătul în care intră liniile de forță este polul său sudic.

Polii de solenoid poate fi determinat de regula mana dreapta, dar pentru aceasta trebuie să cunoașteți direcția curentului în viraje. Dacă puneți mâna dreaptă pe solenoid cu palma în jos, astfel încât curentul să pară să iasă din degete, atunci degetul mare îndoit va îndrepta către polul nord al solenoidului.. Din această regulă rezultă că polaritatea solenoidului depinde de direcția curentului din acesta. Este ușor de verificat practic acest lucru prin aducerea unui ac magnetic la unul dintre polii solenoidului și apoi schimbând direcția curentului în solenoid. Săgeata se va întoarce instantaneu la 180°, adică va indica faptul că polii solenoidului s-au schimbat.

Solenoidul are proprietatea de a atrage în sine obiecte ușoare de fier. Dacă o bară de oțel este plasată în interiorul solenoidului, atunci după un timp, sub influența câmpului magnetic al solenoidului, bara va deveni magnetizată. Această metodă este utilizată în fabricație.

electromagneti

Este o bobină (solenoid) cu un miez de fier plasat în interiorul ei. Formele și dimensiunile electromagneților sunt variate, dar dispunerea generală a tuturor acestora este aceeași.

O bobină de electromagnet este un cadru, cel mai adesea din carton presat sau fibră, și are diferite forme în funcție de scopul electromagnetului. Un fir izolat de cupru este înfășurat pe cadru în mai multe straturi - înfășurarea unui electromagnet. Are un numar diferit de spire si este realizat din sarma de diferite diametre, in functie de scopul electromagnetului.

Pentru a proteja izolația înfășurării de deteriorări mecanice, înfășurarea este acoperită cu unul sau mai multe straturi de hârtie sau alt material izolator. Începutul și sfârșitul înfășurării sunt scoase și conectate la bornele de ieșire montate pe cadru sau la conductori flexibili cu urechi la capete.

Bobina electromagnetului este montată pe un miez din fier moale, recoapt sau aliaje de fier cu siliciu, nichel, etc. Un astfel de fier are cel mai puțin reziduu. Miezurile sunt cel mai adesea realizate din compozit din foi subțiri izolate unele de altele. Forma miezurilor poate fi diferită, în funcție de scopul electromagnetului.

Dacă un curent electric trece prin înfășurarea unui electromagnet, atunci în jurul înfășurării se formează un câmp magnetic, care magnetizează miezul. Deoarece miezul este fabricat din fier moale, acesta va fi magnetizat instantaneu. Dacă curentul este apoi oprit, proprietățile magnetice ale miezului vor dispărea și ele rapid și va înceta să mai fie un magnet. Polii unui electromagnet, ca un solenoid, sunt determinați de regula mâinii drepte. Dacă înfășurarea electromagnetului este schimbată, atunci polaritatea electromagnetului se va schimba în consecință.

Acțiunea unui electromagnet este similară cu cea a unui magnet permanent. Cu toate acestea, există o mare diferență între ele. Un magnet permanent are întotdeauna proprietăți magnetice, iar un electromagnet numai atunci când un curent electric trece prin înfășurarea sa.

În plus, forța de atracție a unui magnet permanent este neschimbată, deoarece fluxul magnetic al unui magnet permanent este neschimbat. Forța de atracție a unui electromagnet nu este o valoare constantă. Același electromagnet poate avea forțe atractive diferite. Forța de atracție a oricărui magnet depinde de mărimea fluxului său magnetic.

Forța de atracție și, prin urmare, fluxul său magnetic, depinde de mărimea curentului care trece prin înfășurarea acestui electromagnet. Cu cât este mai mare curentul, cu atât este mai mare forța de atracție a electromagnetului și, invers, cu cât este mai mic curentul în înfășurarea electromagnetului, cu atât mai puțină forță atrage corpurile magnetice spre sine.

Dar pentru electromagneții de design și dimensiuni diferite, forța de atracție a acestora depinde nu numai de mărimea curentului din înfășurare. Dacă, de exemplu, luăm doi electromagneți de același dispozitiv și dimensiuni, dar unul cu un număr mic de spire de înfășurare, iar celălalt cu un număr mult mai mare, atunci este ușor de observat că cu același curent forța de atracție a acesta din urmă va fi mult mai mare. Într-adevăr, cu cât numărul de spire ale înfășurării este mai mare, cu atât la un curent dat se creează un câmp magnetic în jurul acestei înfășurări, deoarece este compus din câmpurile magnetice ale fiecărei spire. Aceasta înseamnă că fluxul magnetic al electromagnetului și, prin urmare, forța de atracție a acestuia, va fi cu atât mai mare, cu atât este mai mare numărul de spire are înfășurarea.

Există un alt motiv care afectează mărimea fluxului magnetic al unui electromagnet. Aceasta este calitatea circuitului său magnetic. Un circuit magnetic este o cale pe care se închide un flux magnetic. Circuitul magnetic are un anumit rezistenta magnetica. Rezistența magnetică depinde de permeabilitatea magnetică a mediului prin care trece fluxul magnetic. Cu cât permeabilitatea magnetică a acestui mediu este mai mare, cu atât rezistența sa magnetică este mai mică.

Din moment ce m permeabilitatea magnetică a corpurilor feromagnetice (fier, oțel) este de multe ori mai mare decât permeabilitatea magnetică a aerului, prin urmare este mai rentabil să se facă electromagneți astfel încât circuitul lor magnetic să nu conțină secțiuni de aer. Se numește produsul dintre curent și numărul de spire din înfășurarea unui electromagnet forta magnetomotoare. Forța magnetomotoare este măsurată prin numărul de spire în amperi.

De exemplu, înfășurarea unui electromagnet cu 1200 de spire transportă un curent de 50 mA. Forța motrice magnetică un astfel de electromagnet este egal cu 0,05 x 1200 = 60 amperi spire.

Acțiunea forței magnetomotoare este similară cu acțiunea forței electromotoare într-un circuit electric. La fel cum EMF provoacă un curent electric, forța magnetomotoare creează un flux magnetic într-un electromagnet. La fel ca într-un circuit electric, cu creșterea EMF, curentul în preț crește, tot așa și într-un circuit magnetic, cu creșterea forței magnetomotoare, crește fluxul magnetic.

Acțiune rezistenta magnetica similar cu acţiunea rezistenţei electrice a circuitului. Pe măsură ce curentul scade odată cu creșterea rezistenței unui circuit electric, la fel și într-un circuit magnetic o creștere a rezistenței magnetice determină o scădere a fluxului magnetic.

Dependența fluxului magnetic al unui electromagnet de forța magnetomotoare și rezistența sa magnetică poate fi exprimată printr-o formulă similară cu formula legii lui Ohm: forța magnetomotoare \u003d (flux magnetic / rezistență magnetică)

Fluxul magnetic este egal cu forța magnetomotoare împărțită la rezistența magnetică.

Numărul de spire ale înfășurării și rezistența magnetică pentru fiecare electromagnet este o valoare constantă. Prin urmare, fluxul magnetic al unui electromagnet dat se modifică numai cu o modificare a curentului care trece prin înfășurare. Întrucât forța de atracție a unui electromagnet este determinată de fluxul său magnetic, pentru a crește (sau a micșora) forța de atracție a unui electromagnet, este necesar să se mărească (sau să scadă) curentul din înfășurarea acestuia în mod corespunzător.

electromagnet polarizat

Un electromagnet polarizat este o combinație între un magnet permanent și un electromagnet. Este aranjat astfel. Așa-numitele extensii de stâlp din fier moale sunt atașate de polii magnetului permanent. Fiecare extensie de pol servește ca miez al unui electromagnet; pe ea este montată o bobină cu o înfășurare. Ambele înfășurări sunt conectate în serie.

Deoarece extensiile de poli sunt atașate direct de polii unui magnet permanent, ele au proprietăți magnetice chiar și în absența curentului în înfășurări; în același timp, forța lor de atracție este neschimbată și este determinată de fluxul magnetic al unui magnet permanent.

Acțiunea unui electromagnet polarizat constă în faptul că atunci când curentul trece prin înfășurările sale, forța de atracție a polilor săi crește sau scade în funcție de mărimea și direcția curentului din înfășurări. Pe această proprietate a unui electromagnet polarizat, acțiunea celuilalt Dispozitive electrice.

Acțiunea unui câmp magnetic asupra unui conductor care poartă curent

Dacă un conductor este plasat într-un câmp magnetic astfel încât să fie situat perpendicular pe liniile de câmp și un curent electric este trecut prin acest conductor, atunci conductorul va începe să se miște și va fi împins în afara câmpului magnetic.

Ca urmare a interacțiunii câmpului magnetic cu curentul electric, conductorul se pune în mișcare, adică energia electrică este transformată în energie mecanică.

Forța cu care conductorul este împins în afara câmpului magnetic depinde de mărimea fluxului magnetic al magnetului, de puterea curentului în conductor și de lungimea acelei părți a conductorului pe care liniile de câmp o traversează. Direcția acestei forțe, adică direcția de mișcare a conductorului, depinde de direcția curentului în conductor și este determinată de regula mana stanga.

Dacă țineți palma mâinii stângi astfel încât să includă liniile câmpului magnetic ale câmpului, iar cele patru degete întinse sunt îndreptate spre direcția curentului în conductor, atunci degetul mare îndoit va indica direcția de mișcare a conductorului.. Când aplicăm această regulă, trebuie să ne amintim că liniile de câmp ies din polul nord al magnetului.