Hvis det eksisterer et elektrostatisk felt i rommet rundt stasjonære elektriske ladninger, eksisterer det i rommet rundt bevegelige ladninger (så vel som rundt tidsvarierende elektriske felt, som Maxwell opprinnelig foreslo). Dette er enkelt å observere eksperimentelt.
Det er takket være magnetfeltet at elektriske strømmer interagerer med hverandre, så vel som permanente magneter og strømmer med magneter. Sammenlignet med den elektriske interaksjonen er den magnetiske interaksjonen mye sterkere. Denne interaksjonen ble studert i god tid av André-Marie Ampere.
I fysikk er karakteristikken til magnetfeltet B, og jo større det er, desto sterkere er magnetfeltet. Magnetisk induksjon B er en vektormengde, dens retning sammenfaller med retningen til kraften som virker på nordpolen til en konvensjonell magnetisk pil plassert på et eller annet punkt av magnetfeltet - magnetfeltet vil orientere den magnetiske pilen i retningen til vektor B , det vil si i retning av magnetfeltet.
Vektor B ved hvert punkt av den magnetiske induksjonslinjen er rettet mot den tangentielt. Det vil si at induksjon B karakteriserer krafteffekten av magnetfeltet på strømmen. En lignende rolle spilles av styrken E for det elektriske feltet, som karakteriserer den kraftfulle virkningen av det elektriske feltet på ladningen.
Det enkleste eksperimentet med jernspon lar deg tydelig demonstrere fenomenet med virkningen av et magnetfelt på en magnetisert gjenstand, siden i et konstant magnetfelt blir små biter av en ferromagnet (slike stykker er jernspon) magnetisert langs feltet , magnetiske piler, som små piler på et kompass.
Hvis du tar en vertikal kobberleder, og fører den gjennom et hull i et horisontalt plassert ark papir (eller plexiglass eller kryssfiner), og deretter heller metallspon på arket, rister det litt og sender deretter en likestrøm gjennom. lederen, er det lett å se hvordan sagflisen vil stille seg opp i form av en virvel i sirkler rundt lederen, i et plan vinkelrett på strømmen i den.
Disse sagflissirklene vil bare være et konvensjonelt bilde av linjene for magnetisk induksjon B av magnetfeltet til en leder med strøm. Sentrum av sirklene, i dette eksperimentet, vil være plassert nøyaktig i midten, langs aksen til lederen med strøm.
Retningen til vektorene for magnetisk induksjon I en leder med en strøm kan enkelt bestemmes enten i henhold til regelen for høyre skrue: når skruens akse translateres i retningen til strømmen i lederen, rotasjonsretningen til skruen eller gimbal-håndtak (skru inn eller ut) vil indikere retningen til magnetfeltet rundt strømmen.
Hvorfor gjelder gimbal-regelen? Siden rotoroperasjonen (betegnet i feltteori med råte), brukt i to Maxwell-ligninger, kan skrives formelt som et vektorprodukt (med nabla-operatoren), og viktigst av alt fordi rotoren til et vektorfelt kan sammenlignes (er en analogi) til vinkelhastigheten for rotasjon av den ideelle væsken (som Maxwell selv forestilte seg), hvis strømningshastighetsfelt representerer et gitt vektorfelt, kan brukes for rotoren ved de formuleringene av regelen som er beskrevet for vinkelhastigheten .
Således, hvis du vrir tommelen i retning av virvelen til vektorfeltet, vil den skrus i retning av vektoren til rotoren til dette feltet.
Som du kan se, i motsetning til intensitetslinjene til det elektrostatiske feltet, som er åpne i rommet, er linjene med magnetisk induksjon som omgir den elektriske strømmen lukket. Hvis linjene med elektrisk intensitet E begynner ved positive ladninger og slutter ved negative ladninger, er linjene med magnetisk induksjon B ganske enkelt lukket rundt strømmen som genererer dem.
La oss nå komplisere eksperimentet. Tenk på, i stedet for en rett leder med strøm, en sving med strøm. Anta at det er praktisk for oss å plassere en slik kontur vinkelrett på tegningens plan, med strømmen rettet mot oss til venstre og til høyre fra oss. Hvis nå et kompass med en magnetisk pil er plassert inne i sløyfen med strøm, vil den magnetiske pilen indikere retningen til linjene for magnetisk induksjon - de vil bli rettet langs sløyfens akse.
Hvorfor? Fordi de motsatte sidene av spolens plan vil være analoge med polene til den magnetiske nålen. Fra der B-linjene går ut er den nordmagnetiske polen, der de kommer inn - sørpolen. Dette er lett å forstå hvis du først vurderer en leder med strøm og dens magnetiske felt, og deretter bare ruller lederen inn i en ring.
For å bestemme retningen på den magnetiske induksjonen til en sløyfe med en strøm, bruker de også gimbal-regelen eller høyre skrueregel. Plasser gimbaltuppen i midten av løkken og roter den med klokken. Translasjonsbevegelsen til gimbalen vil falle sammen i retning med vektoren for magnetisk induksjon B i midten av løkken.
Det er klart at retningen til strømmens magnetiske felt er relatert til retningen til strømmen i lederen, enten det er en rett leder eller en spole.
Det er generelt akseptert at siden av spolen eller spolen med strøm der linjene med magnetisk induksjon B går ut (retningen til vektor B er utover) er den nordlige magnetiske polen, og hvor linjene kommer inn (vektor B er rettet innover). ) er den magnetiske sørpolen.
Hvis mange svinger med strøm danner en lang spole - en solenoid (lengden på spolen er mange ganger dens diameter), så er magnetfeltet inne i den ensartet, det vil si at linjene for magnetisk induksjon B er parallelle med hverandre, og ha samme tetthet langs hele spolens lengde. Forresten, magnetfeltet til en permanent magnet ligner fra utsiden til magnetfeltet til en spole med strøm.
For en spole med en strøm I, lengde l, med antall omdreininger N, vil den magnetiske induksjonen i vakuum være numerisk lik:
Så magnetfeltet inne i spolen med strømmen er ensartet, og er rettet fra sør til nordpolen (inne i spolen!) Den magnetiske induksjonen inne i spolen er proporsjonal i modul med antall ampere-omdreininger per enhet lengden på spolen med strøm.
Hva mener du med ordet "spole"? Vel ... dette er vel en slags "fiken" på hvilke tråder, fiskesnøre, tau, hva som helst! En induktor er akkurat det samme, men i stedet for en tråd, fiskesnøre eller annet, vikles vanlig kobbertråd der isolert.
Isolasjon kan være av fargeløs lakk, PVC-isolasjon og til og med klut. Her er trikset slik at selv om ledningene i induktoren er veldig tett ved siden av hverandre, isolert fra hverandre... Hvis du vikler induktorene med egne hender, prøv ikke i noe tilfelle å ta en vanlig bar kobbertråd!
Induktans
Enhver induktor har induktans... Spolinduktansen måles i Henry(Gn), angitt med en bokstav L og målt med en LC-måler.
Hva er induktans? Hvis en elektrisk strøm føres gjennom ledningen, vil den skape et magnetisk felt rundt seg selv:
hvor
B - magnetfelt, Wb
JEG -
La oss ta og vikle denne ledningen til en spiral og påføre spenning til endene
Og vi får dette bildet med magnetiske kraftlinjer:
Grovt sett, jo flere magnetfeltlinjer krysser området til denne solenoiden, i vårt tilfelle arealet til sylinderen, desto større er den magnetiske fluksen (F)... Siden det går en elektrisk strøm gjennom spolen, betyr det at en strøm med en strømstyrke går gjennom den (JEG), og koeffisienten mellom magnetisk fluks og strøm kalles induktans og beregnes av formelen:
Fra et vitenskapelig synspunkt er induktans evnen til å trekke ut energi fra en elektrisk strømkilde og lagre den i form av et magnetfelt. Hvis strømmen i spolen øker, utvides magnetfeltet rundt spolen, og hvis strømmen avtar, trekker magnetfeltet seg sammen.
Selvinduksjon
Induktoren har også en veldig interessant egenskap. Når en konstant spenning påføres spolen, genereres en motsatt spenning i spolen i en kort periode.
Denne motsatte spenningen kalles EMF av selvinduksjon. Dette avhenger av verdien av induktansen til spolen. Derfor, i det øyeblikket spenningen påføres spolen, endrer strømmen gradvis verdien fra 0 til en viss verdi i løpet av brøkdeler av et sekund, fordi spenningen, i det øyeblikket den elektriske strømmen påføres, også endrer verdien fra null til en jevn verdi. I følge Ohms lov:
hvor
Jeg- strømstyrke i spolen, A
U- spolespenning, V
R- spolemotstand, Ohm
Som vi kan se fra formelen, endres spenningen fra null til spenningen som leveres til spolen, derfor vil strømmen også endre seg fra null til en verdi. Spolemotstanden for likestrøm er også konstant.
Og det andre fenomenet i induktorspolen er at hvis vi åpner kretsen til induktorspolen - strømkilden, vil vår EMF av selvinduksjon legge seg opp til spenningen som vi allerede har påført spolen.
Det vil si at så snart vi bryter kretsen, kan spenningen på spolen i dette øyeblikket være flere ganger høyere enn den var før kretsen ble åpnet, og strømmen i spolen vil stille falle, siden EMF av selv- induksjon vil støtte den synkende spenningen.
La oss trekke de første konklusjonene om driften av induktoren når DC er påført den. Når en elektrisk strøm tilføres spolen, vil strømmen gradvis øke, og når den elektriske strømmen fjernes fra spolen, vil strømmen gradvis avta til null. Kort sagt, strømmen i spolen kan ikke endres umiddelbart.
Typer induktorer
Induktorer er hovedsakelig delt inn i to klasser: med magnetisk og ikke-magnetisk kjerne... Nedenfor på bildet er en spole med en ikke-magnetisk kjerne.
Men hvor er kjernen hennes? Luft er en ikke-magnetisk kjerne :-). Slike spoler kan også vikles på et sylindrisk papirrør. Induktansen til ikke-magnetiske kjernespoler brukes når induktansen ikke overstiger 5 millihenry.
Og her er kjerneinduktorene:
Ferritt- og jernplatekjerner brukes hovedsakelig. Kjerner øker til tider induktansen til spolene. Ringformede kjerner (toroidal) tillater høyere induktans enn bare kjerner fra en sylinder.
For medium induktorer brukes ferrittkjerner:
Høyinduktansspoler er laget som en transformator med en jernkjerne, men med en vikling, i motsetning til en transformator.
Kveler
Det er også en spesiell type induktor. Dette er den såkalte. En induktor er en induktor hvis jobb det er å skape en stor AC-motstand i kretsen for å undertrykke høyfrekvente strømmer.
Likestrøm går gjennom induktoren uten problemer. Du kan lese hvorfor dette skjer i denne artikkelen. Vanligvis er choker inkludert i strømforsyningskretsene til forsterkerenheter. Choker er utformet for å beskytte strømforsyninger mot inntrengning av høyfrekvente signaler (HF-signaler). Ved lave frekvenser (LF) brukes de av strømkretser og har vanligvis metall- eller ferrittkjerner. Nedenfor på bildet er strømchoker:
Det er også en annen spesiell type choker - denne. Den består av to motsatt viklede induktorer. På grunn av motvikling og gjensidig induksjon er den mer effektiv. Doble choker er mye brukt som inngangsfiltre for strømforsyninger, så vel som i lydteknologi.
Spoleeksperimenter
Hvilke faktorer er induktansen til en spole avhengig av? La oss gjøre noen eksperimenter. Jeg viklet en spole med en ikke-magnetisk kjerne. Induktansen er så liten at LC-måleren viser null for meg.
Ferrittkjerne tilgjengelig
Jeg begynner å sette spolen inn i kjernen helt til kanten
LC-måleren viser 21 mikrohenries.
Jeg satte spolen i midten av ferritten
35 mikrohenry. Bedre nå.
Jeg fortsetter å sette inn spolen på høyre kant av ferritten
20 mikrohenry. Vi konkluderer den største induktansen på en sylindrisk ferritt oppstår i midten. Derfor, hvis du spoler på en sylinder, prøv å spole i midten av ferritten. Denne egenskapen brukes til å jevnt endre induktansen i variable induktorer:
hvor
1 er spolerammen
2 er viklingene til spolen
3 - en kjerne med et spor på toppen for en liten skrutrekker. Ved å vri eller skru av kjernen endrer vi dermed spolens induktans.
Induktansen er nesten 50 mikrohenry!
La oss prøve å rette ut svingene gjennom ferritten
13 mikrohenry. Vi konkluderer: for maksimal induktans, vikle spolen "sving for sving".
La oss redusere omdreiningene på spolen med det halve. Det var 24 svinger, nå er det 12.
Svært liten induktans. Jeg reduserte antall omdreininger med 2 ganger, induktansen reduserte med 10 ganger. Konklusjon: jo færre antall omdreininger, jo lavere er induktansen og omvendt. Induktansen endres ikke i en rett linje til svingene.
La oss eksperimentere med en ferrittkule.
Måling av induktans
15 mikrohenry
La oss fjerne svingene på spolen fra hverandre
Vi måler igjen
Hmm, også 15 mikrohenry. Vi konkluderer: avstanden fra sving til sving spiller ingen rolle i toroidinduktoren.
Vi slynger flere svinger. Det var 3 svinger, nå er det 9.
Vi måler
Faen! Jeg økte antall svinger med 3 ganger, og induktansen økte med 12 ganger! Produksjon: induktansen endres ikke i en rett linje til svingene.
Hvis du tror på formlene for å beregne induktanser, induktans avhenger av "kvadratsvinger". Jeg vil ikke legge ut disse formlene her, fordi jeg ikke ser behovet. Jeg vil bare si at induktansen også avhenger av slike parametere som kjernen (hvilket materiale den er laget av), tverrsnittsarealet til kjernen og lengden på spolen.
Betegnelse på diagrammene
Serie- og parallellkobling av spoler
På seriekobling av induktorer, vil deres totale induktans være lik summen av induktansene.
Og når parallellkobling vi får slik:
Når du kobler til induktorer, som regel skal de være romlig adskilt på brettet. Dette skyldes det faktum at når de er nær hverandre, vil magnetfeltene deres påvirke hverandre, og derfor vil induktansavlesningene være feil. Ikke plasser to eller flere toroidformede spoler på én jernaksel. Dette kan føre til feil totalinduktansavlesninger.
Sammendrag
Induktoren spiller en svært viktig rolle i elektronikk, spesielt i sender/mottakerutstyr. Ulike induktorer er også bygget på induktorer for elektronisk radioutstyr, og i elektroteknikk brukes den også som strømoverspenningsbegrenser.
Gutta fra Loddebolten laget en veldig bra video om induktoren. Jeg anbefaler deg å se uten feil:
Lederen som den elektriske strømmen flyter gjennom skaper et magnetfelt som er preget av intensitetsvektoren `H(fig. 3). Den magnetiske feltstyrken følger prinsippet om superposisjon
a, i henhold til Bio-Savart-Laplace-loven,
hvor Jeg- strøm i en leder, - en vektor som har lengden til et elementært segment av en leder og rettet i strømmens retning, `r- radiusvektor som forbinder elementet med det aktuelle punktet P.
En av de vanligste konfigurasjonene av ledere med strøm er en sløyfe i form av en ring med radius R (fig. 3, a). Magnetfeltet til en slik strøm i planet som går gjennom symmetriaksen har formen (se fig. 3, b). Feltet som helhet bør ha rotasjonssymmetri om z-aksen (fig. 3, b), og selve kraftlinjene skal være symmetriske om sløyfens plan (planet) xy). Feltet i umiddelbar nærhet av lederen vil ligne feltet i nærheten av en lang rett ledning, siden påvirkningen fra de fjerne delene av sløyfen her er relativt liten. På aksen til den sirkulære strømmen er feltet rettet langs aksen Z.
La oss beregne styrken til magnetfeltet på ringens akse i et punkt som ligger i en avstand z fra ringens plan. Ved formel (6) er det nok å beregne z-komponenten til vektoren:
. (7)
Integrering over hele ringen får vi òd l= 2p R... Siden, ifølge Pythagoras teorem r 2 = R 2 + z 2, så er det nødvendige feltet ved et punkt på aksen lik størrelsesorden
. (8)
Vektor retning `H kan rettes etter regelen for høyre skrue.
I midten av ringen z= 0 og formel (8) er forenklet:
Vi er interessert i kort spole- en sylindrisk trådrulle bestående av N svinger med samme radius. På grunn av aksial symmetri og i samsvar med superposisjonsprinsippet er magnetfeltet til en slik spole på H-aksen den algebraiske summen av feltene til de enkelte svingene H Jeg:. Dermed magnetfeltet til en kort spole inneholder N til svinger, ved et vilkårlig punkt på aksen beregnes av formlene
, 
, (10)
hvor H- Spenninger, B- magnetisk feltinduksjon.
Solenoid magnetfelt med strøm
For å beregne induksjonen av magnetfeltet i solenoiden, brukes teoremet om sirkulasjonen til den magnetiske induksjonsvektoren:
, (11)
hvor er den algebraiske summen av strømmene som dekkes av kretsen L fri form, n- antall ledere med strøm som dekkes av kretsen. I dette tilfellet tas hver strøm i betraktning like mange ganger som den dekkes av konturen, og strømmen anses som positiv, hvis retning danner et høyrehendt skruesystem med retningen for omkjøring langs konturen, - en element av konturen L.
Vi bruker teoremet om sirkulasjonen til den magnetiske induksjonsvektoren til en solenoid med lengde lå ha N fra sløyfer med strømstyrke Jeg(fig. 4). I beregningen vil vi ta hensyn til at nesten hele feltet er konsentrert inne i solenoiden (vi neglisjerer kanteffektene) og det er homogent. Deretter vil formel 11 ha formen:
,
hvorfra finner vi induksjonen av magnetfeltet skapt av strømmen inne i solenoiden:
 |
Ris. 4. Solenoid med strøm og dets magnetfelt
Installasjonsskjema
Ris. 5 Skjematisk elektrisk diagram over installasjonen
1 - magnetfeltinduksjonsmåler (teslameter), A - amperemeter, 2 - tilkoblingsledning, 3 - målesonde, 4 - Hallsensor *, 5 - objekt under undersøkelse (kort spole, rett leder, solenoid), 6 - strømkilde, 7 - en linjal for å fikse posisjonen til sensoren, 8 - pennholder.
* - prinsippet for drift av sensoren er basert på fenomenet Hall-effekten (se lab. Arbeid nr. 15 Studie av Hall-effekten)
Arbeidsordre
1. Studie av magnetfeltet til en kort spole
1.1. Slå på enhetene. Strømforsyningen og teslameterbryterne er plassert på bakpanelene.
1.2. Installer en kort spole i holderen som testobjekt 5 (se fig. 5) og koble den til en strømkilde 6.
1.3. Sett spenningsregulatoren ved kilde 6 til midtposisjon. Sett strømstyrken til null ved å justere strømutgangen ved kilden 6 og sjekk med et amperemeter (verdien skal være null).
1.4. Juster grov 1 og finjusteringsknottene 2 (fig. 6) for å oppnå null teslameteravlesninger.
1.5. Plasser holderen med målesonden på linjalen i en posisjon som er praktisk for lesing - for eksempel ved koordinaten på 300 mm. Ta denne bestemmelsen som null i fremtiden. Under installasjon og under målinger, observer parallelliteten mellom pennen og linjalen.
1.6. Plasser holderen med den korte spolen slik at Hall-sensoren 4 er i midten av spolens svinger (fig. 7). For å gjøre dette, bruk høydeklemmeskruen på peilepinneholderen. Spolens plan må være vinkelrett på pennen. I prosessen med å forberede målinger, flytt holderen med testprøven, slik at målesonden er ubevegelig.
1.7. Pass på at avlesningene forblir null under oppvarmingen av teslameteret. Hvis dette ikke gjøres, sett teslameteret til null ved null strøm i prøven.
1.8. Sett strømmen i den korte spolen til 5 A (ved å justere utgangen på strømforsyning 6, Constanter / Netzgerät Universal).
1.9. Mål magnetisk induksjon B exp på spolens akse avhengig av avstanden til midten av spolen. For å gjøre dette, flytt penneholderen langs en rett kant, og hold den parallelt med dens opprinnelige posisjon. Negative z-verdier tilsvarer penneforskyvningen til et område med mindre koordinater enn den opprinnelige, og omvendt - positive z-verdier - til området med større koordinater. Skriv inn dataene i tabell 1.
Tabell 1 Avhengighet av magnetisk induksjon på aksen til en kort spole av avstanden til midten av spolen
1.10. Gjenta trinn 1.2 - 1.7.
1.11. Mål avhengigheten av induksjonen i midten av sløyfen av strømmen som går gjennom spolen. Skriv inn dataene i tabell 2.
Tabell 2 Avhengighet av den magnetiske induksjonen i midten av en kort spole av strømmen i den
2. Studie av magnetfeltet til solenoiden
2.1. Installer solenoiden på en høydejusterbar metallbenk laget av ikke-magnetisk materiale som testobjekt 5 (fig. 8).
2.2. Gjenta 1.3 - 1.5.
2.3. Juster høyden på benken slik at peilepinnen løper langs solenoidens symmetriakse og Hall-sensoren er midt i svingene til solenoiden.
2.4. Gjenta trinn 1.7 - 1.11 (i stedet for en kort spole brukes en solenoid her). Legg inn dataene i henholdsvis tabell 3 og 4. I dette tilfellet bestemmer du koordinaten til midten av solenoiden som følger: installer Hall-sensoren på begynnelsen av solenoiden og fest koordinaten til holderen. Flytt deretter holderen langs linjalen langs solenoidens akse til enden av sensoren er på den andre siden av solenoiden. Fest koordinaten til holderen i denne posisjonen. Solenoidens senterkoordinat vil være lik det aritmetiske gjennomsnittet av de to målte koordinatene.
Tabell 3 Avhengighet av den magnetiske induksjonen av solenoidens akse fra avstanden til dens sentrum.
2.5. Gjenta trinn 1.3 - 1.7.
2.6. Mål avhengigheten av induksjonen i midten av solenoiden av strømmen som flyter gjennom spolen. Skriv inn dataene i tabell 4.
Tabell 4 Avhengighet av den magnetiske induksjonen i midten av solenoiden av strømmen i den
3. Studie av magnetfeltet til en rett leder med strøm
3.1. Installer en rett leder med strøm som objektet som skal studeres (fig. 9, a). For å gjøre dette, koble ledningene fra amperemeteret og strømkilden til hverandre (kortslutt den eksterne kretsen) og plasser lederen direkte på kanten av sonde 3 ved sonde 4, vinkelrett på sonden (fig. 9, b) ). For å støtte lederen, bruk en høydejusterbar metallbenk laget av ikke-magnetisk materiale på den ene siden av sonden og en holder for testprøvene på den andre siden (du kan plugge lederklemmen inn i en av holdersporene for mer pålitelig fiksering av denne lederen). Gi lederen en rett linje.
3.2. Gjenta trinn 1.3 - 1.5.
3.3. Bestem avhengigheten av den magnetiske induksjonen av strømmen i lederen. Legg inn målte data i tabell 5.
Tabell 5 Avhengighet av den magnetiske induksjonen skapt av en rett leder av strømmen i den
4. Bestemmelse av parametrene til de undersøkte objektene
4.1. Bestem (om nødvendig, mål) og noter i tabell 6 dataene som er nødvendige for beregninger: N til- antall omdreininger på den korte spolen, R- dens radius; N med- antall omdreininger på solenoiden, l- lengden, L- induktansen (angitt på solenoiden), d Er dens diameter.
Tabell 6 Parametre for de studerte prøvene
| N Til | R | N med | d | l | L |
Behandling av resultater
1. Bruk formelen (10), beregne den magnetiske induksjonen skapt av en kort spole med strøm. Legg inn dataene i tabell 1 og 2. I henhold til tabell 1, konstruer den teoretiske og eksperimentelle avhengigheten til den magnetiske induksjonen på aksen til den korte spolen fra avstanden z til midten av spolen. Konstruer teoretiske og eksperimentelle avhengigheter i samme koordinatakser.
2. I henhold til tabell 2, konstruer den teoretiske og eksperimentelle avhengigheten til den magnetiske induksjonen i midten av en kort spole av strømmen i den. Konstruer teoretiske og eksperimentelle avhengigheter i samme koordinatakser. Beregn magnetfeltstyrken i midten av spolen med en strømstyrke på 5 A ved hjelp av formel (10).
3. Bruk formelen (12), beregne den magnetiske induksjonen skapt av solenoiden. Skriv inn dataene i tabell 3 og 4. I henhold til tabell 3, konstruer den teoretiske og eksperimentelle avhengigheten til den magnetiske induksjonen på solenoidens akse fra avstanden z til dens sentrum. Konstruer teoretiske og eksperimentelle avhengigheter i samme koordinatakser.
4. I henhold til tabell 4, konstruer den teoretiske og eksperimentelle avhengigheten til den magnetiske induksjonen i midten av solenoiden av strømmen i den. Konstruer teoretiske og eksperimentelle avhengigheter i samme koordinatakser. Beregn styrken til magnetfeltet i midten av solenoiden med en strømstyrke på 5 A.
5. I henhold til tabell 5, konstruer den eksperimentelle avhengigheten til den magnetiske induksjonen skapt av lederen på strømmen i den.
6. Bestem den korteste avstanden basert på formel (5). r o fra sensor til leder med strøm (denne avstanden bestemmes av tykkelsen på lederisolasjonen og tykkelsen på sensorisolasjonen i sonden). Legg inn beregningsresultatene i tabell 5. Beregn det aritmetiske gjennomsnittet r o, sammenlign med den visuelt observerte verdien.
7. Beregn induktansen til solenoiden L. Legg inn beregningsresultatene i tabell 4. Sammenlign den oppnådde gjennomsnittsverdien L med den faste verdien av induktansen i tabell 6. For å beregne, bruk formelen, hvor Y- flukskobling, Y = N med BS, hvor V- magnetisk induksjon i solenoiden (i henhold til tabell 4), S= s d 2/4 - solenoidens tverrsnittsareal.
Kontrollspørsmål
1. Hva er Bio-Savart-Laplace-loven og hvordan kan den brukes når man beregner magnetfeltene til strømførende ledere?
2. Hvordan retningen til vektoren bestemmes H i Bio-Savart-Laplace-loven?
3. Hvordan er vektorene for magnetisk induksjon sammenkoblet B og spenninger H seg imellom? Hva er deres måleenheter?
4. Hvordan brukes Bio-Savart-Laplaces lov ved beregning av magnetiske felt?
5. Hvordan måles magnetfeltet i dette verket? Hvilket fysisk fenomen er prinsippet for magnetfeltmåling basert på?
6. Gi definisjonen av induktans, magnetisk fluks, flukskobling. Spesifiser enhetene for disse mengdene.
bibliografisk liste
pedagogisk litteratur
1. Kalashnikov N.P. Grunnleggende om fysikk. M .: Bustard, 2004. Vol. 1
2. Saveliev I.V... Fysikkkurs. Moskva: Nauka, 1998. Vol. 2.
3. Detlaf A.A.,Yavorskiy B.M. Fysikkkurs. M .: Videregående skole, 2000.
4. Irodov I.E Elektromagnetisme. M .: Binom, 2006.
5. Yavorskiy B.M.,Detlaf A.A. Fysikkhåndbok. Moskva: Nauka, 1998.
Hilsen alle på nettsiden vår!
Vi fortsetter å studere elektronikk helt fra begynnelsen, det vil si fra selve grunnlaget og temaet for dagens artikkel vil være operasjonsprinsipp og grunnleggende egenskaper til induktorer... Når jeg ser fremover, vil jeg si at vi først vil diskutere de teoretiske aspektene, og flere fremtidige artikler vil vie helt og fullstendig til vurderingen av forskjellige elektriske kretser der induktorer brukes, samt elementene som vi studerte tidligere i kurset vårt - og.
Enheten og prinsippet for drift av induktoren.
Som det allerede er klart fra navnet på elementet, er en induktansspole først og fremst bare en spole :), det vil si et stort antall omdreininger av en isolert leder. Dessuten er tilstedeværelsen av isolasjon den viktigste betingelsen - spolens svinger skal ikke lukkes med hverandre. Oftest er svingene viklet på en sylindrisk eller toroidformet ramme:
Den viktigste egenskapen induktorer er selvfølgelig induktans, ellers hvorfor skulle den få et slikt navn 🙂 Induktans er evnen til å konvertere energien til et elektrisk felt til energien til et magnetfelt. Denne egenskapen til spolen skyldes det faktum at når en strøm flyter gjennom en leder, oppstår et magnetfelt rundt den:
Og her er hvordan magnetfeltet ser ut når strømmen går gjennom spolen:
Generelt, strengt tatt, har ethvert element i en elektrisk krets induktans, til og med et vanlig stykke ledning. Men faktum er at verdien av en slik induktans er veldig ubetydelig, i motsetning til induktansen til spoler. Faktisk, for å karakterisere denne verdien, brukes Henry-enheten (Hn). 1 Henry er faktisk en veldig stor verdi, så μH (mikrohenry) og mH (millhenry) brukes oftest. Verdien induktans spoler kan beregnes ved å bruke følgende formel:
La oss se hva slags verdi som er inkludert i dette uttrykket:
Det følger av formelen at med en økning i antall omdreininger eller for eksempel diameteren (og følgelig tverrsnittsarealet) til spolen, vil induktansen øke. Og med en økning i lengden - å redusere. Dermed bør svingene på spolen plasseres så nær hverandre som mulig, da dette vil redusere lengden på spolen.
MED spoleanordning vi fant ut av det, det er på tide å vurdere de fysiske prosessene som skjer i dette elementet når en elektrisk strøm går. For å gjøre dette vil vi vurdere to ordninger - i den ene vil vi føre en likestrøm gjennom spolen, og i den andre en vekselstrøm 🙂
Så, først av alt, la oss finne ut hva som skjer i selve spolen når strømmen flyter. Hvis strømmen ikke endrer størrelsen, har spolen ingen effekt på den. Betyr dette at ved likestrøm er bruk av induktorer ikke verdt å vurdere? Men nei 🙂 Tross alt kan likestrøm slås av/på, og akkurat i bytteøyeblikket skjer alt det mest interessante. La oss ta en titt på kjeden:
I dette tilfellet spiller motstanden rollen som en last, i stedet kan for eksempel være en lampe. I tillegg til motstanden og induktansen er en konstantstrømkilde og en bryter inkludert i kretsen, som vi vil lukke og åpne kretsen med.
Hva skjer i det øyeblikket vi lukker bryteren?
Spolestrøm vil begynne å endre seg, siden det i forrige øyeblikk var lik 0. En endring i strømmen vil føre til en endring i den magnetiske fluksen inne i spolen, som igjen vil føre til fremveksten av EMF (elektromotorisk kraft) av selvinduksjon, som kan uttrykkes som følger:
Fremveksten av en EMF vil føre til utseendet av en induksjonsstrøm i spolen, som vil strømme i motsatt retning av retningen til strømforsyningsstrømmen. Dermed vil EMF for selvinduksjon forhindre strømstrømmen gjennom spolen (induksjonsstrømmen vil kompensere for kretsstrømmen på grunn av det faktum at retningene deres er motsatte). Dette betyr at i det første øyeblikket (umiddelbart etter at bryteren er lukket) vil strømmen gjennom spolen være lik 0. På dette tidspunktet er EMF for selvinduksjon maksimal. Hva skjer etterpå? Siden størrelsen på EMF er direkte proporsjonal med endringshastigheten til strømmen, vil den gradvis svekkes, og strømmen vil tvert imot øke. La oss ta en titt på noen grafer som illustrerer det vi har diskutert:
I det første diagrammet ser vi krets inngangsspenning- i utgangspunktet er kretsen åpen, og når bryteren lukkes, vises en konstant verdi. I det andre diagrammet ser vi endring i størrelsen på strømmen gjennom spolen induktans. Umiddelbart etter at nøkkelen er lukket, er det ingen strøm på grunn av forekomsten av EMF av selvinduksjon, og deretter begynner den å øke jevnt. Tvert imot er spenningen på spolen maksimal i det første øyeblikket, og avtar deretter. Grafen for spenningen over lasten vil i form (men ikke i størrelse) falle sammen med grafen for strømmen gjennom spolen (siden med en seriekobling er strømmen som flyter gjennom forskjellige elementer i kretsen den samme). Dermed, hvis vi bruker en lampe som en last, vil de ikke lyse umiddelbart etter at bryteren er lukket, men med en liten forsinkelse (i samsvar med gjeldende graf).
En lignende forbigående prosess i kretsen vil bli observert når nøkkelen åpnes. En EMF av selvinduksjon vil vises i induktoren, men i tilfelle en åpning vil den induktive strømmen bli rettet i samme retning som strømmen i kretsen, og ikke i motsatt retning, derfor vil den lagrede energien til induktoren vil gå for å opprettholde strømmen i kretsen:
Etter at nøkkelen er åpnet, oppstår en EMF av selvinduksjon, som forhindrer strømmen gjennom spolen i å avta, slik at strømmen ikke når null umiddelbart, men etter en tid. Spenningen i spolen er identisk i form med lukkingen av bryteren, men motsatt i fortegn. Dette skyldes det faktum at endringen i strømmen, og følgelig EMF for selvinduksjon i det første og andre tilfellet er motsatt i fortegn (i det første tilfellet øker strømmen, og i det andre reduseres) .
Forresten, nevnte jeg at verdien av EMF for selvinduksjon er direkte proporsjonal med endringshastigheten til strømstyrken, og så er proporsjonalitetskoeffisienten ikke mer enn induktansen til spolen:
Det er her vi ender opp med induktorer i DC-kretser og går videre til AC-kretser.
Tenk på en krets der en vekselstrøm påføres induktoren:
La oss se på avhengighetene til strømmen og EMF av selvinduksjon i tide, og så finner vi ut hvorfor de ser akkurat slik ut:
Som vi allerede har funnet ut EMF av selvinduksjon vi har det er direkte proporsjonalt og motsatt i fortegn til endringshastigheten til strømmen:
Faktisk viser grafen denne avhengigheten for oss 🙂 Se selv - mellom punkt 1 og 2 endres strømmen, og jo nærmere punkt 2, jo mindre endringer, og ved punkt 2 endres ikke strømmen i det hele tatt i en kort periode med tid dets betydning. Følgelig er endringshastigheten til strømmen maksimal ved punkt 1 og avtar jevnt når man nærmer seg punkt 2, og ved punkt 2 er den lik 0, som vi ser på selvinduksjons-EMF-graf... Videre, over hele intervallet 1-2, øker strømmen, noe som betyr at endringshastigheten er positiv, i denne forbindelse på EMF gjennom hele dette intervallet, tvert imot, tar negative verdier.
På samme måte, mellom punkt 2 og 3 - strømmen avtar - endringshastigheten til strømmen er negativ og øker - EMF for selvinduksjon øker og er positiv. Jeg skal ikke beskrive resten av timeplanen - alle prosesser der følger samme prinsipp 🙂
I tillegg kan et veldig viktig poeng legges merke til på grafen - når strømmen øker (avsnitt 1-2 og 3-4), har selvinduksjons-EMK og strømmen forskjellige fortegn (avsnitt 1-2:, tittel = "( LANG: Gjengitt av QuickLaTeX.com" height="12" width="39" style="vertical-align: 0px;">, участок 3-4: title="Gjengitt av 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:!}
Hvor er den sirkulære frekvensen:. - dette er .
Jo høyere frekvensen til strømmen er, desto større motstand vil induktoren ha. Og hvis strømmen er konstant (= 0), er reaktansen til spolen henholdsvis 0, det påvirker ikke den flytende strømmen.
La oss gå tilbake til grafene våre, som vi bygde for bruk av en induktor i en AC-krets. Vi har bestemt EMF for selvinduksjonen til spolen, men hva blir spenningen? Alt er veldig enkelt her 🙂 I følge den andre Kirchhoffs lov:
Og konsekvent:
La oss bygge på en graf avhengigheten av strømmen og spenningen i kretsen på tid:
Som du kan se, er strømmen og spenningen faseforskyvet () i forhold til hverandre, og dette er en av de viktigste egenskapene til AC-kretser som bruker en induktor:
Når induktoren kobles til en vekselstrømkrets, oppstår det en faseforskyvning i kretsen mellom spenning og strøm, mens strømmen henger i fase fra spenningen med en kvart periode.
Så vi fant ut inkluderingen av spolen i AC-kretsen 🙂
På dette vil vi kanskje avslutte dagens artikkel, den har allerede vist seg å være ganske omfangsrik, så vi vil fortsette å snakke om induktorer neste gang. Så ses vi snart, vi vil gjerne se deg på nettsiden vår!
Hvis en rett leder rulles i form av en sirkel, kan magnetfeltet til den sirkulære strømmen undersøkes.
La oss utføre eksperiment (1). Vi passerer ledningen i form av en sirkel gjennom pappen. Plasser noen ledige magnetiske piler på overflaten av pappen på forskjellige punkter. Slå på strømmen og se at de magnetiske pilene i midten av sløyfen viser samme retning, og utenfor sløyfen på begge sider i den andre retningen.
Nå gjentar vi eksperiment (2), endrer polene, og derav retningen til strømmen. Vi ser at de magnetiske pilene har endret retning på hele overflaten av pappen med 180 grader.
La oss konkludere: de magnetiske linjene med sirkulær strøm avhenger også av retningen til strømmen i lederen.
La oss utføre eksperiment 3. Fjern de magnetiske pilene, skru på den elektriske strømmen og hell forsiktig små jernspåner over hele overflaten av pappen Vi har et bilde av magnetiske kraftlinjer, som kalles "spekteret til magnetfeltet av sirkulær strøm." Hvordan, i dette tilfellet, bestemme retningen til de magnetiske kraftlinjene? Vi bruker gimbal-regelen igjen, men brukt på sirkulær strøm. Hvis rotasjonsretningen til kardanhåndtaket er kombinert med retningen til strømmen i den sirkulære lederen, vil retningen for translasjonsbevegelsen til gimbalen falle sammen med retningen til magnetfeltlinjene.
La oss vurdere flere tilfeller.
1. Spolens plan ligger i arkets plan, strømmen flyter langs spolen med klokken. Ved å rotere løkken med klokken, bestemmer vi at de magnetiske kraftlinjene i midten av løkken er rettet innover løkken "bort fra oss". Dette er konvensjonelt indikert med "+" (pluss)-tegnet. De. i midten av løkken legger vi "+"
2. Svingens plan ligger i arkets plan, strømmen langs svingen går mot klokken. Ved å rotere sløyfen mot klokken bestemmer vi at de magnetiske kraftlinjene går ut fra midten av sløyfen "mot oss". Dette er konvensjonelt betegnet "∙" (prikk). De. i midten av løkken må vi sette en prikk ("∙").
Vikler du en rett leder rundt en sylinder får du en spole med strøm, eller en solenoid.
La oss gjennomføre forsøk (4.) Vi bruker samme krets for forsøket, bare ledningen føres nå gjennom pappen i form av en spole. Plasser flere ledige magnetiske piler på kartongens plan på forskjellige punkter: i begge ender av spolen, inne i spolen og på begge sider utenfor. La spolen være horisontal (venstre-til-høyre retning). Slå på kretsen og finn ut at de magnetiske pilene langs spolens akse peker i én retning. Vi legger merke til at i høyre ende av spolen viser pilen at kraftlinjene går inn i spolen, noe som betyr at det er "sørpolen" (S), og til venstre viser den magnetiske pilen at de kommer ut , dette er "nordpolen" (N). På utsiden av spolen peker de magnetiske pilene i motsatt retning av retningen på innsiden av spolen.
La oss utføre eksperiment (5). I samme krets endrer vi retningen på strømmen. Vi vil finne at retningen til alle de magnetiske pilene har endret seg, de har rotert 180 grader. Vi trekker en konklusjon: retningen til de magnetiske kraftlinjene avhenger av retningen til strømmen langs spolens svinger.
La oss utføre eksperiment (6). La oss fjerne de magnetiske pilene og slå på kretsen. Forsiktig "salt med jernfil" pappen inni og utenfor spolen. La oss få et bilde av magnetfeltlinjene, som kalles "spekteret av magnetfeltet til spolen med strøm"
Men hvordan bestemme retningen til de magnetiske kraftlinjene? Retningen til de magnetiske feltlinjene bestemmes i henhold til kardansk regel på samme måte som for en sløyfe med strøm: Hvis rotasjonsretningen til kardanhåndtaket kombineres med strømmens retning i løkkene, så av translasjonsbevegelse vil falle sammen med retningen til magnetfeltlinjene inne i solenoiden. Magnetfeltet til en solenoid ligner på magnetfeltet til en permanent stripemagnet. Enden av spolen, som kraftlinjene går ut fra, vil være "nordpolen" (N), og den som kraftlinjene går inn i vil være "sørpolen" (S).
Etter oppdagelsen av Hans Oersted begynte mange forskere å gjenta eksperimentene hans, og fant opp nye, for å finne bevis på sammenhengen mellom elektrisitet og magnetisme. Den franske forskeren Dominique Arago plasserte en jernstang i et glassrør og viklet en kobbertråd over den, som en elektrisk strøm ble ført gjennom. Så snart Arago lukket den elektriske kretsen, ble jernstangen så sterkt magnetisert at den trakk jernnøklene mot seg. Det tok betydelig innsats å rive av nøklene. Da Arago skrudde av strømforsyningen, falt nøklene av seg selv! Så Arago oppfant den første elektromagneten. Moderne elektromagneter består av tre deler: en vikling, en kjerne og en armatur. Ledningene er plassert i en spesiell kappe som fungerer som en isolator. En flerlagsspole er viklet med en ledning - en elektromagnetvikling. En stålstang brukes som kjerne. Platen som er tiltrukket av kjernen kalles et anker. Elektromagneter er mye brukt i industrien på grunn av deres egenskaper: de avmagnetiserer raskt når strømmen slås av; de kan lages i en rekke størrelser, avhengig av formålet; ved å endre styrken på strømmen kan den magnetiske virkningen til elektromagneten reguleres. Elektromagneter brukes i fabrikker for å frakte stål- og støpejernsprodukter. Disse magnetene har stor løftekraft. Elektromagneter brukes også i elektriske klokker, elektromagnetiske separatorer, mikrofoner og telefoner. I dag undersøkte vi magnetfeltet til en sirkulær strøm, en spole med en strøm. Vi ble kjent med elektromagneter, deres anvendelse i industrien og i nasjonal økonomi.
Laster inn...
