Ако в пространството около стационарни електрически заряди съществува електростатично поле, то в пространството около движещи се заряди (както и около променящи се във времето електрически полета, което Максуел първоначално предложи) съществува. Това е лесно да се наблюдава експериментално.
Благодарение на магнитното поле електрическите токове взаимодействат един с друг, както и постоянните магнити и токове с магнити. В сравнение с електрическото взаимодействие, магнитното взаимодействие е много по-силно. Това взаимодействие е изследвано своевременно от Андре-Мари Ампер.
Във физиката характеристиката на магнитното поле е В и колкото по-голямо е то, толкова по-силно е магнитното поле. Магнитната индукция B е векторна величина, нейната посока съвпада с посоката на силата, действаща върху северния полюс на конвенционална магнитна стрелка, поставена в някаква точка на магнитното поле - магнитното поле ще ориентира магнитната стрелка в посоката на вектор B , тоест по посока на магнитното поле.
Вектор B във всяка точка от линията на магнитна индукция е насочен към нея тангенциално. Тоест, индукцията B характеризира силовото въздействие на магнитното поле върху тока. Подобна роля играе силата E за електрическото поле, която характеризира силовото действие на електрическото поле върху заряда.
Най-простият експеримент с железни стърготини ви позволява ясно да демонстрирате феномена на действието на магнитно поле върху намагнетизиран обект, тъй като в постоянно магнитно поле малки парченца феромагнетик (такива парчета са железни стърготини) се намагнитват по протежение на полето , магнитни стрелки, като малки стрелки на компас.
Ако вземете вертикален меден проводник и го прекарате през дупка в хоризонтално разположен лист хартия (или плексиглас, или шперплат) и след това изсипете метални стърготини върху листа, разклатете го малко и след това прокарайте постоянен ток през проводника, лесно е да се види как дървените стърготини ще се подредят под формата на вихър в кръгове около проводника, в равнина, перпендикулярна на тока в него.
Тези кръгове от дървени стърготини ще бъдат просто конвенционално изображение на линиите на магнитна индукция B на магнитното поле на проводник с ток. Центърът на кръговете в този експеримент ще бъде разположен точно в центъра, по оста на проводника с ток.
Посоката на векторите на магнитна индукция в проводник с ток може лесно да се определи или според правилото на десния винт: когато оста на винта се премества в посоката на тока в проводника, посоката на въртене на винта или дръжката на кардан (завийте или навън) ще покаже посоката на магнитното поле около тока.
Защо се прилага правилото за кардан? Тъй като роторната операция (означена в теорията на полето с rot), използвана в две уравнения на Максуел, може да се запише формално като векторно произведение (с оператора nabla) и най-важното, защото роторът на векторно поле може да бъде оприличен (е аналогия) към ъгловата скорост на въртене на идеалната течност (както самият Максуел си е представил), чието поле на скоростта на потока представлява дадено векторно поле, може да се използва за ротора от тези формулировки на правилото, които са описани за ъгловата скорост .
По този начин, ако завъртите палеца в посока на вихъра на векторното поле, тогава той ще бъде завинтен в посоката на вектора на ротора на това поле.
Както можете да видите, за разлика от линиите на интензитет на електростатичното поле, които са отворени в пространството, линиите на магнитна индукция около електрическия ток са затворени. Ако линиите с електрически интензитет E започват при положителни заряди и завършват при отрицателни заряди, тогава линиите на магнитна индукция B просто се затварят около тока, който ги генерира.
Сега нека усложним експеримента. Помислете, вместо прав проводник с ток, завой с ток. Да предположим, че е удобно за нас да поставим такъв контур перпендикулярно на равнината на чертежа, като токът е насочен към нас отляво и отдясно от нас. Ако сега вътре в контура с ток се постави компас с магнитна стрелка, тогава магнитната стрелка ще посочи посоката на линиите на магнитна индукция - те ще бъдат насочени по оста на контура.
Защо? Тъй като противоположните страни на равнината на намотката ще бъдат аналогични на полюсите на магнитната игла. От мястото, където излизат линиите B, е северният магнитен полюс, където те влизат - южният полюс. Това е лесно да се разбере, ако първо разгледате проводник с ток и неговото магнитно поле и след това просто навиете проводника в пръстен.
За да определят посоката на магнитната индукция на контур с ток, те също използват правилото на кардан или правилото на десния винт. Поставете върха на кардана в центъра на цикъла и го завъртете по посока на часовниковата стрелка. Транслационното движение на кардана ще съвпадне по посока с вектора на магнитната индукция B в центъра на контура.
Очевидно посоката на магнитното поле на тока е свързана с посоката на тока в проводника, било то прав проводник или намотка.
Общоприето е, че страната на намотката или бобината с ток, откъдето излизат линиите на магнитна индукция B (посоката на вектор B е навън), е северният магнитен полюс и където линиите влизат (вектор B е насочен навътре ) е южният магнитен полюс.
Ако много завои с ток образуват дълга намотка - соленоид (дължината на бобината е много пъти нейния диаметър), тогава магнитното поле вътре в него е равномерно, тоест линиите на магнитна индукция B са успоредни една на друга и имат еднаква плътност по цялата дължина на намотката. Между другото, магнитното поле на постоянния магнит отвън е подобно на магнитното поле на намотка с ток.
За намотка с ток I, дължина l, с броя на завоите N, магнитната индукция във вакуум ще бъде числено равна на:
И така, магнитното поле вътре в намотката с ток е равномерно и е насочено от южния към северния полюс (вътре в бобината!).Магнитната индукция вътре в намотката е пропорционална по модул на броя на ампер-оборотите на единица дължина на бобината с ток.
Какво имаш предвид под думата "намотка"? Ами... това сигурно е някаква "смокиня", на която конци, въдица, въже, каквото и да е! Индукторът е абсолютно същото нещо, но вместо конец, въдица или нещо друго там е навита изолирана обикновена медна жица.
Изолацията може да бъде от безцветен лак, PVC изолация и дори плат. Тук трикът е такъв, че въпреки че проводниците в индуктора са много плътно долепени един до друг, те все още изолирани един от друг... Ако навивате индукторите със собствените си ръце, в никакъв случай не се опитвайте да вземете обикновена гола медна жица!
Индуктивност
Всеки индуктор има индуктивност... Индуктивността на бобината се измерва в Хенри(Gn), означено с буква Ли се измерва с LC метър.
Какво е индуктивност? Ако електрически ток премине през проводника, тогава той ще създаде магнитно поле около себе си:
където
B - магнитно поле, Wb
аз -
Да вземем и да навием този проводник в спирала и да приложим напрежение към краищата му
И получаваме тази картина с магнитни силови линии:
Грубо казано, колкото повече линии на магнитно поле пресичат областта на този соленоид, в нашия случай площта на цилиндъра, толкова по-голям е магнитният поток (Ж)... Тъй като през намотката протича електрически ток, това означава, че през нея преминава ток със сила на тока (аз),а коефициентът между магнитния поток и тока се нарича индуктивност и се изчислява по формулата:
От научна гледна точка индуктивността е способността да се извлича енергия от източник на електрически ток и да се съхранява под формата на магнитно поле. Ако токът в намотката се увеличи, магнитното поле около намотката се разширява, а ако токът намалява, тогава магнитното поле се свива.
Самоиндукция
Индукторът също има много интересно свойство. Когато към бобината се приложи постоянно напрежение, в бобината се генерира противоположно напрежение за кратък период от време.
Това противоположно напрежение се нарича ЕМП на самоиндукция.Това зависи от стойността на индуктивността на бобината. Следователно, в момента на подаване на напрежението към намотката, токът постепенно променя стойността си от 0 до определена стойност в рамките на части от секундата, тъй като напрежението, в момента на подаване на електрическия ток, също променя стойността си от нула до постоянна стойност. Според закона на Ом:
където
аз- сила на тока в бобината, A
У- напрежение на бобината, V
Р- съпротивление на бобината, Ohm
Както можем да видим от формулата, напрежението се променя от нула до напрежението, подадено към бобината, следователно токът също ще се промени от нула до някаква стойност. Съпротивлението на бобината за постоянен ток също е постоянно.
И второто явление в индуктивната намотка е, че ако отворим веригата на индукторната намотка - източникът на ток, тогава нашата ЕМП на самоиндукция ще се добави към напрежението, което вече сме приложили към намотката.
Тоест, веднага щом прекъснем веригата, напрежението на намотката в този момент може да бъде няколко пъти по-високо, отколкото е било преди отварянето на веригата, и токът във веригата на бобината тихо ще спадне, тъй като ЕМП на самозахранването индукцията ще поддържа намаляващото напрежение.
Нека направим първите изводи за работата на индуктора, когато към него се прилага постоянен ток. Когато към намотката се приложи електрически ток, токът постепенно ще се увеличава, а когато електрическият ток се отстрани от намотката, токът постепенно ще намалее до нула. Накратко, токът в намотката не може да се промени моментално.
Видове индуктори
Индукторите се разделят основно на два класа: с магнитна и немагнитна сърцевина... По-долу на снимката е намотка с немагнитна сърцевина.
Но къде е нейното ядро? Въздухът е немагнитна сърцевина :-). Такива намотки могат да се навиват и върху цилиндрична хартиена тръба. Индуктивността на намотки с немагнитна сърцевина се използва, когато индуктивността не надвишава 5 милихенри.
А ето и основните индуктори:
Използват се предимно феритни и железни плочи. Ядрата увеличават индуктивността на намотките в пъти.Пръстеновидните сърцевини (тороидални) позволяват по-висока индуктивност, отколкото просто ядра от цилиндър.
За средни индуктори се използват феритни сърцевини:
Намотките с висока индуктивност се правят като трансформатор с желязна сърцевина, но с една намотка, за разлика от трансформатор.
дросели
Има и специален вид индуктор. Това е т.нар. Индукторът е индуктор, чиято задача е да създаде голямо съпротивление на променлив ток във веригата, за да потисне високочестотните токове.
Постоянният ток протича през дросела без никакъв проблем. Можете да прочетете защо това се случва в тази статия. Обикновено дроселите са включени в захранващите вериги на усилвателните устройства. Дроселите са предназначени за защита на захранващите устройства от проникване на високочестотни сигнали (HF сигнали). При ниски честоти (LF) те се използват от силови вериги и обикновено имат метални или феритни сърцевини. По-долу на снимката са захранващи дросели:
Има и друг специален вид дросели - този. Състои се от два противоположно навита индуктора. Поради обратната намотка и взаимната индукция, той е по-ефективен. Двойните дросели се използват широко като входни филтри за захранвания, както и в аудио технологиите.
Експерименти с бобина
От какви фактори зависи индуктивността на бобината? Нека направим някои експерименти. Навих намотка с немагнитна сърцевина. Индуктивността му е толкова малка, че LC метърът ми показва нула.
Налична феритна сърцевина
Започвам да вмъквам бобината в сърцевината до самия ръб
LC метърът показва 21 микрохенри.
Сложих бобината в средата на ферита
35 микрохенри. По-добре сега.
Продължавам да вкарвам бобината в десния край на ферита
20 микрохенри. Ние заключаваме най-голямата индуктивност на цилиндричен ферит се появява в средата му.Ето защо, ако навивате на цилиндър, опитайте се да навиете в средата на ферита. Това свойство се използва за плавна промяна на индуктивността в променливи индуктори:
където
1 е рамката на бобината
2 са завоите на бобината
3 - сърцевина с жлеб отгоре за малка отвертка. Чрез усукване или отвиване на сърцевината, ние по този начин променяме индуктивността на бобината.
Индуктивността е почти 50 микрохенри!
Нека се опитаме да изправим завоите в целия ферит
13 микрохенри. Заключаваме: за максимална индуктивност навийте бобината „от завъртане към завъртане“.
Нека намалим завоите на намотката наполовина. Имаше 24 завоя, сега са 12.
Много малка индуктивност. Намалих броя на завоите с 2 пъти, индуктивността намаля с 10 пъти. Заключение: колкото по-малък е броят на завоите, толкова по-ниска е индуктивността и обратно. Индуктивността не се променя по права линия спрямо завоите.
Нека експериментираме с феритно зърно.
Измерване на индуктивност
15 микрохенри
Нека премахнем завоите на намотката един от друг
Отново измерваме
Хм, също 15 микрохенри. Заключаваме: разстоянието от завой до завой не играе никаква роля в тороидалния индуктор.
Навиваме повече завои. Имаше 3 завоя, сега е 9.
Ние измерваме
майната му! Увеличих броя на завоите с 3 пъти, а индуктивността се увеличи с 12 пъти! Изход: индуктивността не се променя по права линия спрямо завоите.
Ако вярвате на формулите за изчисляване на индуктивности, индуктивността зависи от "завоите на квадрат".Няма да излагам тези формули тук, защото не виждам нужда. Ще кажа само, че индуктивността зависи и от такива параметри като сърцевината (от какъв материал е направена), площта на напречното сечение на сърцевината и дължината на бобината.
Обозначение на диаграмите
Последователно и паралелно свързване на бобини
В последователно свързване на индуктори, тяхната обща индуктивност ще бъде равна на сумата от индуктивностите.
И когато паралелна връзкаполучаваме така:
При свързване на дросели, като правило те трябва да бъдат пространствено разделени на дъската.Това се дължи на факта, че когато са близо един до друг, техните магнитни полета ще влияят едно на друго и следователно показанията на индуктивността ще бъдат неправилни. Не поставяйте две или повече тороидални намотки на една желязна ос. Това може да доведе до неправилни показания на общата индуктивност.
Резюме
Индукторът играе много важна роля в електрониката, особено в приемо-предавателното оборудване. Върху дросели за електронно радиооборудване се изграждат и различни индуктори, а в електротехниката се използва и като ограничител на пренапрежение на тока.
Момчетата от Поялника направиха много добро видео за индуктора. Съветвам ви да гледате непременно:
Проводникът, през който протича електрическият ток, създава магнитно поле, което се характеризира с вектора на интензитета `H(фиг. 3). Силата на магнитното поле се подчинява на принципа на суперпозицията
а, съгласно закона на Био-Савар-Лаплас,
където аз- ток в проводник, - вектор с дължината на елементарен сегмент от проводник и насочен по посока на тока, `r- радиус вектор, свързващ елемента с въпросната точка П.
Една от най-често срещаните конфигурации на проводници с ток е контур под формата на пръстен с радиус R (фиг. 3, а). Магнитното поле на такъв ток в равнината, минаваща през оста на симетрия, има формата (виж фиг. 3, б). Полето като цяло трябва да има ротационна симетрия спрямо оста z (фиг. 3, б), а самите силови линии трябва да са симетрични спрямо равнината на контура (равнина xy). Полето в непосредствена близост до проводника ще прилича на полето в близост до дълъг прав проводник, тъй като тук влиянието на отдалечените части на контура е сравнително малко. По оста на кръговия ток полето е насочено по оста З.
Нека изчислим силата на магнитното поле по оста на пръстена в точка, разположена на разстояние z от равнината на пръстена. По формула (6) е достатъчно да се изчисли z-компонентата на вектора:
. (7)
Интегрирайки по целия пръстен, получаваме òd л= 2p Р... Тъй като според Питагоровата теорема r 2 = Р 2 + z 2, тогава необходимото поле в точка на оста е равно по големина на
. (8)
Векторна посока `Hможе да се насочи според правилото на десния винт.
В центъра на ринга z= 0 и формула (8) е опростена:
Ние се интересуваме от къса намотка- цилиндрична телена макара, състояща се от нзавои със същия радиус. Поради аксиалната симетрия и в съответствие с принципа на суперпозицията, магнитното поле на такава намотка по оста H е алгебричната сума от полетата на отделните завои Хаз:. По този начин магнитното поле на къса намотка, съдържаща ндо завои, в произволна точка на оста се изчислява по формулите
, 
, (10)
където Х- напрежение, Б- индукция на магнитно поле.
Соленоидно магнитно поле с ток
За изчисляване на индукцията на магнитното поле в соленоида се използва теоремата за циркулацията на вектора на магнитната индукция:
, (11)
където е алгебричната сума на токовете, обхванати от веригата Лсвободна форма, н- броят на проводниците с токове, обхванати от веригата. В този случай всеки ток се взема предвид толкова пъти, колкото е покрит от контура, и токът се счита за положителен, чиято посока образува дясна винтова система с посока на байпас по контура, - елемент от контура Л.
Прилагаме теоремата за циркулацията на вектора на магнитната индукция към соленоид с дължина лкато има нот контури с ампераж аз(фиг. 4). При изчислението ще вземем предвид, че почти цялото поле е концентрирано вътре в соленоида (пренебрегваме ръбовите ефекти) и то е хомогенно. Тогава формула 11 ще приеме формата:
,
откъдето намираме индукцията на магнитното поле, създадено от тока вътре в соленоида:
 |
Ориз. 4. Соленоид с ток и неговото магнитно поле
Инсталационна схема
Ориз. 5 Схематична електрическа схема на инсталацията
1 - индукционен измервател на магнитно поле (тесламетър), A - амперметър, 2 - свързващ проводник, 3 - измервателна сонда, 4 - сензор на Хол *, 5 - обект на изследване (къса намотка, прав проводник, соленоид), 6 - източник на ток, 7 - линийка за фиксиране на позицията на сензора, 8 - държач на стилуса.
* - принципът на действие на сензора се основава на явлението ефект на Хол (виж лаборатория. Работа № 15 Изследване на ефекта на Хол)
Работна поръчка
1. Изследване на магнитното поле на къса намотка
1.1. Включете устройствата. Превключвателите за захранване и тесламетър са разположени на задните панели.
1.2. Монтирайте къса намотка в държача като тестов обект 5 (вижте фиг. 5) и я свържете към източник на ток 6.
1.3. Поставете регулатора на напрежението при източник 6 в средно положение. Задайте силата на тока на нула, като регулирате токовия изход на източник 6 и проверете с амперметър (стойността трябва да е нула).
1.4. Регулирайте копчетата за груба 1 и фина настройка 2 (фиг. 6), за да постигнете нулеви показания на тесламетър.
1.5. Поставете държача с измервателната сонда върху линийката в удобна за отчитане позиция - например на координата 300 mm. В бъдеще вземете тази разпоредба за нула. По време на монтажа и по време на измервания спазвайте паралелизма между стилуса и линийката.
1.6. Позиционирайте държача с късата намотка така, че сензорът на Хол 4 да е в центъра на завоите на бобината (фиг. 7). За да направите това, използвайте винта за затягане на височина на държача на измервателната пръчка. Равнината на намотката трябва да е перпендикулярна на стилуса. В процеса на подготовка на измерванията преместете държача с тестовата проба, оставяйки измервателната сонда неподвижна.
1.7. Уверете се, че по време на загряване на тесламетъра неговите показания остават нулеви. Ако това не е направено, настройте тесламетъра на нула при нулев ток в пробата.
1.8. Задайте тока в късата намотка на 5 A (чрез регулиране на изхода на захранването 6, Constanter / Netzgerät Universal).
1.9. Измерете магнитната индукция Б exp по оста на намотката в зависимост от разстоянието до центъра на намотката. За да направите това, преместете държача на стилуса по прав ръб, като го държите успоредно на първоначалното му положение. Отрицателните z стойности съответстват на изместването на стилуса в област с по-малки координати от първоначалната, и обратно - положителни z стойности - на областта с по-големи координати. Въведете данните в таблица 1.
Таблица 1 Зависимост на магнитната индукция върху оста на къса намотка от разстоянието до центъра на намотката
1.10. Повторете стъпки 1.2 - 1.7.
1.11. Измерете зависимостта на индукцията в центъра на контура от тока, преминаващ през бобината. Въведете данните в таблица 2.
Таблица 2 Зависимост на магнитната индукция в центъра на къса намотка от тока в нея
2. Изследване на магнитното поле на соленоида
2.1. Монтирайте соленоида на регулируема по височина метална пейка, изработена от немагнитен материал като тестов обект 5 (фиг. 8).
2.2. Повторете 1.3 - 1.5.
2.3. Регулирайте височината на стенда така, че пръчката да върви по оста на симетрия на соленоида и сензорът на Хол да е в средата на завоите на соленоида.
2.4. Повторете стъпки 1.7 - 1.11 (вместо къса намотка тук се използва соленоид). Въведете данните съответно в таблици 3 и 4. В този случай определете координатата на центъра на соленоида, както следва: монтирайте сензора на Хол в началото на соленоида и фиксирайте координатата на държача. След това преместете държача по линията по оста на соленоида, докато краят на сензора е от другата страна на соленоида. Фиксирайте координатата на държача в това положение. Централната координата на соленоида ще бъде равна на средноаритметичната стойност на двете измерени координати.
Таблица 3 Зависимост на магнитната индукция от оста на соленоида от разстоянието до центъра му.
2.5. Повторете стъпки 1.3 - 1.7.
2.6. Измерете зависимостта на индукцията в центъра на соленоида от тока, протичащ през бобината. Въведете данните в таблица 4.
Таблица 4 Зависимост на магнитната индукция в центъра на соленоида от тока в него
3. Изследване на магнитното поле на прав проводник с ток
3.1. Инсталирайте прав проводник с ток като изследван обект (фиг. 9, а). За да направите това, свържете проводниците от амперметъра и източника на захранване един към друг (свържете външната верига на късо) и поставете проводника директно върху ръба на сонда 3 при сонда 4, перпендикулярно на сондата (фиг. 9, б ). За да поддържате проводника, използвайте регулируема по височина метална пейка, изработена от немагнитен материал от едната страна на сондата и държач за тестовите проби от другата страна (можете да включите скобата на проводника в един от слотовете на държача за повече надеждно фиксиране на този проводник). Дайте на проводника права линия.
3.2. Повторете стъпки 1.3 - 1.5.
3.3. Определете зависимостта на магнитната индукция от тока в проводника. Въведете измерените данни в таблица 5.
Таблица 5 Зависимост на магнитната индукция, създадена от прав проводник от тока в него
4. Определяне на параметрите на изследваните обекти
4.1. Определете (ако е необходимо, измерете) и запишете в таблица 6 данните, необходими за изчисленията: N до- броят на завоите на късата намотка, Р- неговият радиус; N с- броят на завъртанията на соленоида, л- дължината му, Л- неговата индуктивност (показана на соленоида), дДиаметърът му е.
Таблица 6 Параметри на изследваните проби
| нДа се | Р | нс | д | л | Л |
Обработка на резултатите
1. Използвайки формулата (10), изчислете магнитната индукция, създадена от къса намотка с ток. Въведете данните в таблици 1 и 2. Съгласно таблица 1 построете теоретичната и експерименталната зависимост на магнитната индукция от оста на късата намотка от разстоянието z до центъра на намотката. Конструирайте теоретични и експериментални зависимости в едни и същи координатни оси.
2. Съгласно таблица 2 построете теоретичната и експерименталната зависимост на магнитната индукция в центъра на къса намотка от тока в нея. Конструирайте теоретични и експериментални зависимости в едни и същи координатни оси. Изчислете силата на магнитното поле в центъра на бобината със сила на тока 5 A в нея, като използвате формула (10).
3. Използвайки формулата (12), изчислете магнитната индукция, създадена от соленоида. Въведете данните в таблици 3 и 4. Съгласно таблица 3 построете теоретичната и експерименталната зависимост на магнитната индукция върху оста на соленоида от разстоянието z до центъра му. Конструирайте теоретични и експериментални зависимости в едни и същи координатни оси.
4. Съгласно таблица 4 построете теоретичната и експерименталната зависимост на магнитната индукция в центъра на соленоида от тока в него. Конструирайте теоретични и експериментални зависимости в едни и същи координатни оси. Изчислете силата на магнитното поле в центъра на соленоида със сила на тока 5 A.
5. Съгласно таблица 5 построете експерименталната зависимост на създаваната от проводника магнитна индукция от тока в него.
6. Въз основа на формула (5) определете най-краткото разстояние r o от сензора до проводника с ток (това разстояние се определя от дебелината на изолацията на проводника и дебелината на изолацията на сензора в сондата). Въведете резултатите от изчисленията в таблица 5. Изчислете средноаритметичната стойност r o, сравнете с визуално наблюдаваната стойност.
7. Изчислете индуктивността на соленоида Л.Въведете резултатите от изчисленията в таблица 4. Сравнете получената средна стойност Лс фиксираната стойност на индуктивността в таблица 6. За да изчислите, използвайте формулата, където Й- връзка на потока, Й = N с BS,където V- магнитна индукция в соленоида (съгласно таблица 4), С= стр д 2/4 - площ на напречното сечение на соленоида.
Контролни въпроси
1. Какво представлява законът на Био-Савар-Лаплас и как може да се приложи при изчисляване на магнитните полета на проводниците с ток?
2. Как се определя посоката на вектора Хв закона на Био-Савар-Лаплас?
3. Как са свързани помежду си векторите на магнитната индукция Би напрежения Хмежду тях? Какви са мерните им единици?
4. Как се използва законът на Био-Савар-Лаплас при изчисляване на магнитни полета?
5. Как се измерва магнитното поле в тази работа? На какво физическо явление се основава принципът на измерване на магнитно поле?
6. Дайте определението за индуктивност, магнитен поток, връзка на потока. Посочете мерните единици за тези количества.
библиографски списък
учебна литература
1. Калашников Н.П.Основи на физиката. М .: Дропла, 2004. Том 1
2. Савелиев И.В... Курс по физика. Москва: Наука, 1998. Т. 2.
3. Детлаф А.А.,Яворски Б.М.Курс по физика. М .: Висше училище, 2000 г.
4. Иродов И.Еелектромагнетизъм. М.: Бином, 2006.
5. Яворски Б.М.,Детлаф А.А.Наръчник по физика. Москва: Наука, 1998.
Поздрави на всички в нашия сайт!
Продължаваме да учим електроникаот самото начало, тоест от самите основи и темата на днешната статия ще бъде принцип на действие и основни характеристики на дроселите... Гледайки напред, ще кажа, че първо ще обсъдим теоретичните аспекти, а няколко бъдещи статии ще бъдат посветени изцяло и изцяло на разглеждането на различни електрически вериги, в които се използват индуктори, както и елементите, които изучавахме по-рано в нашия курс - и.
Устройството и принципът на работа на индуктора.
Както вече е ясно от името на елемента, индуктивната намотка, на първо място, е просто намотка :), тоест голям брой завои на изолиран проводник. Освен това наличието на изолация е най-важното условие - завоите на бобината не трябва да се затварят един с друг. Най-често завоите се навиват върху цилиндрична или тороидална рамка:
Най-важната характеристика индукторие, разбира се, индуктивност, иначе защо ще й бъде дадено такова име 🙂 Индуктивността е способността да се преобразува енергията на електрическо поле в енергията на магнитно поле. Това свойство на намотката се дължи на факта, че когато ток протича през проводник, около него възниква магнитно поле:
И ето как изглежда магнитното поле, когато токът преминава през бобината:
Като цяло, строго погледнато, всеки елемент в електрическата верига има индуктивност, дори обикновено парче проводник. Но факт е, че стойността на такава индуктивност е много незначителна, за разлика от индуктивността на намотките. Всъщност, за да се характеризира тази стойност, се използва единицата на Хенри (Hn). 1 Хенри всъщност е много голяма стойност, така че най-често се използват μH (микрохенри) и mH (милхенри). Стойността индуктивностнамотките могат да бъдат изчислени по следната формула:
Нека видим каква стойност е включена в този израз:
От формулата следва, че с увеличаване на броя на завоите или, например, диаметъра (и съответно площта на напречното сечение) на намотката, индуктивността ще се увеличи. И с увеличаване на дължината - за намаляване. По този начин завоите на намотката трябва да бъдат поставени възможно най-близо един до друг, тъй като това ще намали дължината на намотката.
С устройство за намоткаразбрахме го, време е да разгледаме физическите процеси, които се случват в този елемент, когато преминава електрически ток. За да направите това, ще разгледаме две схеми - в едната ще прекараме постоянен ток през намотката, а в другата - променлив 🙂
И така, първо, нека да разберем какво се случва в самата намотка, когато тече ток. Ако токът не промени големината си, тогава намотката няма ефект върху него. Това означава ли, че в случай на постоянен ток, използването на индуктори не си струва да се обмисля? Но не 🙂 В края на краищата постоянният ток може да се включва / изключва и точно в моментите на превключване се случва всичко най-интересно. Нека да разгледаме веригата:
В този случай резисторът играе ролята на товар, на негово място може да бъде например лампа. Освен резистора и индуктивността във веригата са включени източник на постоянен ток и превключвател, с който ще затваряме и отваряме веригата.
Какво се случва в момента, в който затворим ключа?
Ток на бобинатаще започне да се променя, тъй като в предишния момент от времето е било равно на 0. Промяната в тока ще доведе до промяна в магнитния поток вътре в намотката, което от своя страна ще доведе до появата на EMF (електродвижеща сила) на самоиндукция, което може да се изрази по следния начин:
Появата на ЕМП ще доведе до появата на индукционен ток в бобината, който ще тече в посока, обратна на посоката на захранващия ток. По този начин ЕМП на самоиндукция ще предотврати протичането на ток през намотката (индукционният ток ще компенсира тока на веригата поради факта, че техните посоки са противоположни). Това означава, че в началния момент от време (непосредствено след затваряне на ключа) токът през намотката ще бъде равен на 0. В този момент ЕМП на самоиндукция е максимална. Какво се случва след това? Тъй като величината на ЕМП е право пропорционална на скоростта на промяна на тока, тя постепенно ще отслабва, а токът, съответно, напротив, ще се увеличава. Нека да разгледаме някои графики, които илюстрират това, което обсъдихме:
В първата диаграма виждаме входно напрежение на веригата- първоначално веригата е отворена и когато превключвателят се затвори, се появява постоянна стойност. Във втората диаграма виждаме промяна в големината на тока през бобинатаиндуктивност. Веднага след затваряне на ключа няма ток поради възникването на ЕМП на самоиндукция и след това започва плавно да се увеличава. Напротив, напрежението на бобината е максимално в началния момент от време и след това намалява. Графиката на напрежението в товара по форма (но не и по големина) ще съвпада с графиката на тока през намотката (тъй като при последователно свързване токът, протичащ през различни елементи на веригата, е един и същ). По този начин, ако използваме лампа като товар, тогава те няма да светнат веднага след затваряне на ключа, а с леко закъснение (в съответствие с текущата графика).
Подобен преходен процес във веригата ще се наблюдава при отваряне на ключа. В индуктора ще се появи EMF на самоиндукция, но в случай на отваряне, индуктивният ток ще бъде насочен в същата посока като тока във веригата, а не в обратна посока, следователно, съхраняваната енергия на индукторът ще отиде, за да поддържа тока във веригата:
След отваряне на ключа възниква ЕДС на самоиндукция, която предотвратява намаляването на тока през намотката, така че токът не достига нула веднага, а след известно време. Напрежението в бобината е идентично по форма с затварянето на превключвателя, но противоположно по знак. Това се дължи на факта, че промяната в тока и съответно ЕМП на самоиндукция в първия и втория случай са противоположни по знак (в първия случай токът се увеличава, а във втория намалява) .
Между другото, споменах, че стойността на ЕМП на самоиндукция е право пропорционална на скоростта на промяна на силата на тока и така, коефициентът на пропорционалност не е нищо повече от индуктивността на бобината:
Това е мястото, където се озоваваме с индуктори в DC вериги и преминаваме към AC вериги.
Помислете за верига, в която се прилага променлив ток към индуктор:
Нека разгледаме зависимостите на тока и EMF на самоиндукцията от времето и след това ще разберем защо изглеждат точно така:
Както вече разбрахме ЕМП на самоиндукцияимаме тя е право пропорционална и противоположна по знак на скоростта на промяна на тока:
Всъщност графиката ни демонстрира тази зависимост 🙂 Вижте сами - между точки 1 и 2 токът се променя, а колкото по-близо до точка 2, толкова по-малко се променя, а в точка 2 токът изобщо не се променя за кратък период от време неговото значение. Съответно скоростта на промяна на тока е максимална в точка 1 и плавно намалява при приближаване до точка 2, а в точка 2 е равна на 0, което виждаме на графика на ЕМП на самоиндукция... Освен това през целия интервал 1-2 токът се увеличава, което означава, че скоростта на неговата промяна е положителна, в тази връзка ЕМП през този интервал, напротив, приема отрицателни стойности.
По същия начин, между точки 2 и 3 - токът намалява - скоростта на промяна на тока е отрицателна и се увеличава - ЕДС на самоиндукция се увеличава и е положителна. Няма да описвам останалата част от графика - всички процеси там следват един и същ принцип 🙂
Освен това на графиката може да се забележи много важен момент - когато токът се увеличава (секции 1-2 и 3-4), ЕМП на самоиндукция и ток имат различни знаци (раздел 1-2:, заглавие = "( !LANG: Предадено от QuickLaTeX.com" height="12" width="39" style="vertical-align: 0px;">, участок 3-4: title="Изведено от QuickLaTeX.com" height="12" width="41" style="vertical-align: 0px;">, ). Таким образом, ЭДС самоиндукции препятствует возрастанию тока (индукционные токи направлены “навстречу” току источника). А на участках 2-3 и 4-5 все наоборот – ток убывает, а ЭДС препятствует убыванию тока (поскольку индукционные токи будут направлены в ту же сторону, что и ток источника и будут частично компенсировать уменьшение тока). И в итоге мы приходим к очень интересному факту – катушка индуктивности оказывает сопротивление переменному току, протекающему по цепи. А значит она имеет сопротивление, которое называется индуктивным или реактивным и вычисляется следующим образом:!}
Къде е кръговата честота:. - това е .
По този начин, колкото по-висока е честотата на тока, толкова по-голямо съпротивление ще има индукторът. И ако токът е постоянен (= 0), тогава реактивното съпротивление на намотката е 0, съответно не влияе на протичащия ток.
Нека се върнем към нашите графики, които изградихме за случая на използване на индуктор в променливотокова верига. Определихме ЕДС на самоиндукцията на бобината, но какво ще бъде напрежението? Тук всичко е наистина просто 🙂 Според 2-ри закон на Кирхоф:
И следователно:
Нека изградим върху една графика зависимостта на тока и напрежението във веригата от времето:
Както можете да видите, токът и напрежението са фазово изместени () един спрямо друг и това е едно от най-важните свойства на AC вериги, които използват индуктор:
Когато индукторът е свързан към верига с променлив ток, във веригата се появява фазово изместване между напрежение и ток, докато токът изостава във фаза от напрежението с една четвърт от период.
Така че разбрахме включването на бобината във веригата за променлив ток 🙂
С това, може би, ще завършим днешната статия, тя вече се оказа доста обемна, така че следващия път ще продължим да говорим за индуктори. Така че до скоро, ще се радваме да ви видим на нашия сайт!
Ако прав проводник се навива под формата на кръг, тогава може да се изследва магнитното поле на кръговия ток.
Нека проведем експеримент (1). Прекарваме жицата под формата на кръг през картона. Поставете няколко свободни магнитни стрелки върху повърхността на картона в различни точки. Включете тока и вижте, че магнитните стрелки в центъра на цикъла показват една и съща посока, а извън контура от двете страни в другата посока.
Сега повтаряме експеримент (2), като сменяме полюсите, а оттам и посоката на тока. Виждаме, че магнитните стрелки са променили посоката на цялата повърхност на картона на 180 градуса.
Да заключим: магнитните линии на кръговия ток също зависят от посоката на тока в проводника.
Нека проведем експеримент 3. Извадете магнитните стрелки, включете електрическия ток и внимателно изсипете малки железни стърготини върху цялата повърхност на картона. Имаме картина на магнитни силови линии, която се нарича „спектър на магнитното поле на кръгов ток." Как в този случай да се определи посоката на магнитните силови линии? Отново прилагаме правилото на кардана, но приложено към кръгов ток. Ако посоката на въртене на дръжката на кардан се комбинира с посоката на тока в кръговия проводник, тогава посоката на транслационно движение на кардан ще съвпадне с посоката на линиите на магнитното поле.
Нека разгледаме няколко случая.
1. Равнината на бобината лежи в равнината на листа, токът протича по бобината по посока на часовниковата стрелка. Завъртайки цикъла по посока на часовниковата стрелка, определяме, че магнитните линии на сила в центъра на цикъла са насочени навътре от цикъла "далеч от нас". Това обикновено се обозначава със знака "+" (плюс). Тези. в центъра на цикъла поставяме "+"
2. Равнината на завоя лежи в равнината на листа, течението по завоя върви обратно на часовниковата стрелка. Завъртайки цикъла обратно на часовниковата стрелка, определяме, че магнитните линии на сила излизат от центъра на цикъла "към нас". Това е условно обозначено с "∙" (точка). Тези. в центъра на цикъла трябва да поставим точка ("∙").
Ако навиете прав проводник около цилиндър, ще получите намотка с ток или соленоид.
Нека проведем експеримент (4.) Използваме същата схема за експеримента, само че телта вече е прекарана през картона под формата на намотка. Поставете няколко свободни магнитни стрелки върху равнината на картона в различни точки: в двата края на намотката, вътре в намотката и от двете страни отвън. Нека бобината е хоризонтална (посока отляво надясно). Включете веригата и установете, че магнитните стрелки, разположени по оста на бобината, сочат в една посока. Отбелязваме, че в десния край на намотката стрелката показва, че силовите линии влизат в намотката, което означава, че това е "южният полюс" (S), а в левия, магнитната стрелка показва, че те излизат , това е "северният полюс" (N). От външната страна на намотката магнитните стрелки сочат в посока, обратна на посоката от вътрешната страна на бобината.
Нека проведем експеримент (5). В същата верига променяме посоката на тока. Ще открием, че посоката на всички магнитни стрелки се е променила, те са се завъртели на 180 градуса. Правим заключение: посоката на магнитните силови линии зависи от посоката на тока по завоите на намотката.
Нека проведем експеримент (6). Да премахнем магнитните стрелки и да включим веригата. Внимателно "посолете с железни стърготини" картона отвътре и отвън на макарата. Нека получим картина на линиите на магнитното поле, която се нарича "спектър на магнитното поле на бобината с ток"
Но как да определим посоката на магнитните силови линии? Посоката на линиите на магнитното поле се определя съгласно правилото на кардан по същия начин, както при контур с ток: Ако посоката на въртене на дръжката на кардан се комбинира с посоката на тока в контурите, тогава посоката на транслационното движение ще съвпада с посоката на линиите на магнитното поле вътре в соленоида. Магнитното поле на соленоид е подобно на магнитното поле на постоянен лентов магнит. Краят на намотката, от който излизат силовите линии, ще бъде "северният полюс" (N), а този, в който влизат силовите линии, ще бъде "южният полюс" (S).
След откритието на Ханс Ерстед много учени започват да повтарят експериментите му, изобретявайки нови, за да открият доказателства за връзката между електричеството и магнетизма. Френският учен Доминик Араго поставил желязна пръчка в стъклена тръба и над нея навила медна жица, през която се пропускал електрически ток. Веднага след като Араго затвори електрическата верига, железният прът стана толкова силно намагнетизиран, че издърпа железните ключове към себе си. Отнемането на ключовете отне значителни усилия. Когато Араго изключи захранването, ключовете паднаха сами! Така Араго изобретява първия електромагнит. Съвременните електромагнити се състоят от три части: намотка, ядро и котва. Проводниците са поставени в специална обвивка, която действа като изолатор. Многослойна намотка е навита с тел - електромагнитна намотка. Като сърцевина се използва стоманена пръчка. Плочата, която е привлечена към сърцевината, се нарича котва. Електромагнитите се използват широко в индустрията поради своите свойства: те бързо се демагнетизират, когато токът е изключен; могат да бъдат изработени в различни размери, в зависимост от предназначението; чрез промяна на силата на тока може да се регулира магнитното действие на електромагнита. Електромагнитите се използват във фабриките за пренасяне на стоманени и чугунени продукти. Тези магнити имат голяма повдигаща сила. Електромагнитите се използват и в електрически звънци, електромагнитни сепаратори, микрофони и телефони. Днес изследвахме магнитното поле на кръгов ток, намотка с ток. Запознахме се с електромагнитите, тяхното приложение в индустрията и в националната икономика.
Зареждане...
