Dacă există un câmp electrostatic în spațiul din jurul sarcinilor electrice staționare, atunci în spațiul din jurul sarcinilor în mișcare (precum și în jurul câmpurilor electrice care variază în timp, așa cum a presupus inițial Maxwell) există. Acest lucru este ușor de observat experimental.
Datorită câmpului magnetic, curenții electrici interacționează între ei, precum și magneții permanenți și curenții cu magneți. Comparativ cu interacțiunea electrică, interacțiunea magnetică este mult mai puternică. Această interacțiune a fost odată studiată de André-Marie Ampère.
În fizică, caracteristica unui câmp magnetic este B și cu cât este mai mare, cu atât este mai puternic câmpul magnetic. Inducția magnetică B este o mărime vectorială, direcția acesteia coincide cu direcția forței care acționează asupra polului nord al unui ac magnetic convențional plasat într-un punct oarecare din câmpul magnetic - câmpul magnetic va orienta acul magnetic în direcția vectorului B. , adică în direcția câmpului magnetic.
Vectorul B în fiecare punct al liniei de inducție magnetică este direcționat tangențial la acesta. Adică, inducția B caracterizează efectul de forță al câmpului magnetic asupra curentului. Un rol similar îl joacă intensitatea E pentru câmpul electric, care caracterizează efectul de forță al câmpului electric asupra sarcinii.
Cel mai simplu experiment cu pilitura de fier face posibilă demonstrarea clară a fenomenului acțiunii unui câmp magnetic asupra unui obiect magnetizat, deoarece într-un câmp magnetic constant bucăți mici de feromagnet (astfel de bucăți sunt pilitură de fier) devin magnetizate de-a lungul câmpului. , ace magnetice, ca acele mici de busolă.
Dacă luați un conductor vertical de cupru și îl treceți printr-o gaură dintr-o foaie orizontală de hârtie (sau plexiglas sau placaj), apoi turnați pilitură de metal pe foaie și agitați-l puțin, apoi treceți curentul continuu prin conductor, este ușor de văzut cum rumegușul se va alinia sub formă de vortex în cercuri în jurul conductorului, într-un plan perpendicular pe curentul din acesta.
Aceste cercuri făcute din rumeguș vor fi o imagine simbolică a liniilor de inducție magnetică B a câmpului magnetic al unui conductor care poartă curent. Centrul cercurilor, în acest experiment, va fi situat exact în centru, de-a lungul axei conductorului cu curent.
Direcția vectorilor de inducție magnetică B ai unui conductor purtător de curent este ușor de determinat sau după regula șurubului drept: atunci când axa șurubului se deplasează înainte în direcția curentului din conductor, sensul de rotație a șurubului sau mânerul brațului (înșurubam sau scoatem șurubul) va indica direcția câmpului magnetic în jurul curentului.
De ce se aplică regula gimlet? Deoarece operarea rotorului (notată în teoria câmpului prin putregai), utilizată în cele două ecuații ale lui Maxwell, poate fi scrisă formal ca produs vectorial (cu operatorul nabla) și, cel mai important, deoarece rotorul unui câmp vectorial poate fi asemănat (reprezintă un analogie) cu viteza unghiulară de rotație a lichidului ideal (așa cum și-a imaginat însuși Maxwell), al cărui câmp de viteză a curgerii reprezintă un câmp vectorial dat, se pot folosi pentru rotor aceleași formulări ale regulii care sunt descrise pentru viteza unghiulară.
Astfel, dacă răsuciți brațul în direcția vortexului câmpului vectorial, acesta se va înșuruba în direcția vectorului rotor al acestui câmp.
După cum puteți vedea, spre deosebire de liniile de câmp electrostatic, care sunt deschise în spațiu, liniile de inducție magnetică din jurul curentului electric sunt închise. Dacă liniile de intensitate electrică E încep pe sarcini pozitive și se termină pe cele negative, atunci liniile de inducție magnetică B sunt pur și simplu închise în jurul curentului care le generează.
Acum să complicăm experimentul. În loc de un conductor drept cu curent, luați în considerare o bobină cu curent. Să presupunem că este convenabil pentru noi să poziționăm un astfel de contur perpendicular pe planul desenului, cu curentul îndreptat spre noi în stânga și departe de noi în dreapta. Dacă acum plasați o busolă cu un ac magnetic în interiorul bobinei cu curent, atunci acul magnetic va indica direcția liniilor de inducție magnetică - acestea vor fi direcționate de-a lungul axei bobinei.
De ce? Deoarece laturile opuse față de planul bobinei vor fi similare cu polii acului magnetic. De unde provin liniile B este polul nord magnetic, unde intră ele este polul sud. Acest lucru este ușor de înțeles dacă luați în considerare mai întâi un conductor cu curent și câmpul său magnetic, apoi pur și simplu rulați conductorul într-un inel.
Pentru a determina direcția inducției magnetice a unei bobine cu curent, ei folosesc și regula gimlet sau regula cu șurub din dreapta. Așezați vârful brațului în centrul bobinei și începeți să îl rotiți în sensul acelor de ceasornic. Mișcarea înainte a brațului va coincide în direcția cu vectorul de inducție magnetică B din centrul bobinei.
Evident, direcția câmpului magnetic al curentului este legată de direcția curentului în conductor, fie că este un conductor drept sau o bobină.
Este în general acceptat că partea bobinei sau a spirei cu curent din care ies liniile de inducție magnetică B (direcția vectorului B este spre exterior) este polul nord magnetic și unde intră liniile (vectorul B este îndreptat spre interior). ) este polul magnetic sudic.
Dacă multe spire cu curent formează o bobină lungă - un solenoid (lungimea bobinei este de multe ori mai mare decât diametrul său), atunci câmpul magnetic din interiorul său este uniform, adică liniile de inducție magnetică B sunt paralele între ele și au aceeași densitate pe toată lungimea bobinei. Apropo, câmpul magnetic al unui magnet permanent este similar din exterior cu câmpul magnetic al unei bobine cu curent.
Pentru o bobină cu curent I, lungime l, cu număr de spire N, inducția magnetică în vid va fi numeric egală cu:
Deci, câmpul magnetic din interiorul bobinei cu curent este uniform și este direcționat de la sud la polul nord (în interiorul bobinei!) Inducția magnetică din interiorul bobinei este proporțională ca mărime cu numărul de spire de amperi pe unitatea de lungime a bobinei. bobina cu curent.
Ce vrei să spui prin cuvântul „rolă”? Ei bine... acesta este probabil un fel de „smochin” pe care fire, fir de pescuit, sfoară, orice! O bobină inductor este exact același lucru, dar în loc de un fir, fir de pescuit sau orice altceva, acolo este înfășurat un fir de cupru obișnuit în izolație.
Izolația poate fi realizată din lac transparent, izolație PVC sau chiar material textil. Trucul aici este că, deși firele din inductor sunt foarte aproape unele de altele, totuși izolate unele de altele. Dacă înfășurați bobinele inductoare cu propriile mâini, nu vă gândiți în niciun caz la utilizarea unui fir de cupru obișnuit!
Inductanţă
Orice inductor are inductanţă. Inductanța bobinei se măsoară în Henry(Gn), indicat printr-o literă Lși se măsoară folosind un contor LC.
Ce este inductanța? Dacă un curent electric trece printr-un fir, acesta va crea un câmp magnetic în jurul său:
Unde
B – câmp magnetic, Wb
eu -
Să luăm acest fir și să-l înfășurăm într-o spirală și să aplicăm tensiune la capete
Și obținem această imagine cu linii magnetice de forță:
Aproximativ vorbind, cu cât traversează mai multe linii de câmp magnetic aria acestui solenoid, în cazul nostru aria cilindrului, cu atât fluxul magnetic va fi mai mare. (F). Deoarece un curent electric trece prin bobină, înseamnă că prin ea trece un curent cu intensitatea curentului (eu), iar coeficientul dintre fluxul magnetic și puterea curentului se numește inductanță și se calculează prin formula:
Din punct de vedere științific, inductanța este capacitatea de a extrage energie dintr-o sursă de curent electric și de a o stoca sub formă de câmp magnetic. Dacă curentul din bobină crește, câmpul magnetic din jurul bobinei se extinde, iar dacă curentul scade, câmpul magnetic se contractă.
Auto-inducție
Inductorul are și o proprietate foarte interesantă. Când o tensiune constantă este aplicată bobinei, o tensiune opusă apare în bobină pentru o perioadă scurtă de timp.
Această tensiune opusă se numește EMF autoindusă. Aceasta depinde de valoarea inductanței bobinei. Prin urmare, în momentul în care tensiunea este aplicată bobinei, curentul își schimbă treptat valoarea de la 0 la o anumită valoare într-o fracțiune de secundă, deoarece tensiunea, în momentul aplicării curentului electric, își schimbă și valoarea de la zero la o valoare constantă. Conform legii lui Ohm:
Unde
eu– puterea curentului în bobină, A
U– tensiune în bobină, V
R– rezistența bobinei, Ohm
După cum putem vedea din formulă, tensiunea se schimbă de la zero la tensiunea furnizată bobinei, prin urmare și curentul se va schimba de la zero la o anumită valoare. Rezistența bobinei pentru DC este, de asemenea, constantă.
Și al doilea fenomen în inductor este că, dacă deschidem circuitul dintre inductor și sursa de curent, atunci femele noastre de auto-inducție se vor adăuga la tensiunea pe care am aplicat-o deja bobinei.
Adică, de îndată ce întrerupem circuitul, tensiunea de pe bobină în acel moment poate fi de multe ori mai mare decât era înainte de ruperea circuitului, iar puterea curentului din circuitul bobinei va scădea în liniște, deoarece auto-inducția emf va menține tensiunea în scădere.
Să tragem primele concluzii despre funcționarea inductorului atunci când îi este furnizat curent continuu. Când curentul electric este furnizat bobinei, puterea curentului va crește treptat, iar atunci când curentul electric este îndepărtat din bobină, puterea curentului va scădea ușor la zero. Pe scurt, puterea curentului din bobină nu se poate schimba instantaneu.
Tipuri de inductori
Inductoarele sunt împărțite în principal în două clase: cu miez magnetic si nemagnetic. Mai jos în fotografie este o bobină cu miez nemagnetic.
Dar unde este miezul ei? Aerul este un miez nemagnetic :-). Astfel de bobine pot fi, de asemenea, înfășurate pe un tub de hârtie cilindric. Bobinele de inductanță cu miez nemagnetic sunt utilizate atunci când inductanța nu depășește 5 milihenry.
Și iată inductoarele cu miez:
Se folosesc în principal miezuri din ferită și plăci de fier. Miezurile cresc semnificativ inductanța bobinelor. Miezurile sub formă de inel (toroidal) vă permit să obțineți o inductanță mai mare decât doar miezurile de cilindru.
Pentru bobinele cu inductanță medie, se folosesc miezuri de ferită:
Bobinele cu inductanță mare sunt realizate ca un transformator cu miez de fier, dar cu o singură înfășurare, spre deosebire de transformator.
Sufocă
Există, de asemenea, un tip special de inductor. Acestea sunt așa-numitele. Un inductor este un inductor a cărui sarcină este de a crea o rezistență ridicată la curentul alternativ în circuit pentru a suprima curenții de înaltă frecvență.
Curentul continuu trece prin inductor fara probleme. Puteți citi de ce se întâmplă acest lucru în acest articol. De obicei, șocurile sunt conectate în circuitele de alimentare ale dispozitivelor de amplificare. Choke-urile sunt concepute pentru a proteja sursele de alimentare de semnale de înaltă frecvență (semnale RF). La frecvențe joase (LF) sunt utilizate în circuitele de alimentare și au de obicei miezuri de metal sau ferită. Mai jos în fotografie sunt șocuri de putere:
Există și un alt tip special de sufocare - acesta. Este alcătuit din două inductoare contrabobinate. Datorită contraînfășurării și inducției reciproce, este mai eficient. Choke-urile duble sunt utilizate pe scară largă ca filtre de intrare pentru surse de alimentare, precum și în tehnologia audio.
Experimente cu o bobină
De ce factori depinde inductanța bobinei? Să facem câteva experimente. Am înfășurat o bobină cu miez nemagnetic. Inductanța sa este atât de mică încât contorul LC îmi arată zero.
Are miez de ferită
Încep să introduc bobina în miez până la margine
Contorul LC arată 21 microhenry.
Intru bobina in mijlocul feritei
35 microhenry. Deja mai bine.
Continui să introduc bobina pe marginea dreaptă a feritei
20 microhenry. Încheiem Cea mai mare inductanță pe o ferită cilindrică are loc în mijlocul acesteia. Prin urmare, dacă înfășurați pe un cilindru, încercați să înfășurați în mijlocul feritei. Această proprietate este utilizată pentru a schimba fără probleme inductanța în inductoarele variabile:
Unde
1 – acesta este cadrul bobinei
2 – acestea sunt spirele bobinei
3 – miez, care are o canelură deasupra pentru o șurubelniță mică. Prin înșurubarea sau deșurubarea miezului, schimbăm astfel inductanța bobinei.
Inductanța a devenit aproape 50 microhenry!
Să încercăm să îndreptăm virajele prin ferită
13 microhenry. Încheiem: Pentru inductanță maximă, bobina trebuie să fie înfășurată „turn în rot”.
Să reducem spirele bobinei la jumătate. Au fost 24 de orbite, acum sunt 12.
Inductanță foarte scăzută. Am redus numărul de spire de 2 ori, inductanța a scăzut de 10 ori. Concluzie: cu cât numărul de spire este mai mic, cu atât inductanța este mai mică și invers. Inductanța nu se modifică liniar între spire.
Să experimentăm cu un inel de ferită.
Măsurăm inductanța
15 microhenri
Să mutam bobinele una de cealaltă
Să măsurăm din nou
Hmm, tot 15 microhenry. Încheiem: Distanța de la tură la tură nu joacă niciun rol într-un inductor toroidal.
Hai să facem mai multe ture. Au fost 3 ture, acum sunt 9.
Măsurăm
Wow! A crescut numărul de spire de 3 ori, iar inductanța a crescut de 12 ori! Concluzie: Inductanța nu se modifică liniar între spire.
Dacă credeți formulele pentru calcularea inductanțelor, inductanța depinde de „tururile la pătrat”. Nu voi posta aceste formule aici, pentru că nu văd nevoia. Voi spune doar că inductanța depinde și de parametri precum miezul (din ce material este făcut), aria secțiunii transversale a miezului și lungimea bobinei.
Desemnarea pe diagrame
Conectarea în serie și paralelă a bobinelor
La conexiunea în serie a inductoarelor, inductanța lor totală va fi egală cu suma inductanțelor.
Și atunci când conexiune paralelă obținem asta:
Când conectați inductanțe, trebuie să faceți următoarele: Regula este ca acestea să fie distanțate spațial pe tablă. Acest lucru se datorează faptului că, dacă sunt aproape unul de celălalt, câmpurile lor magnetice se vor influența reciproc și, prin urmare, citirile inductanțelor vor fi incorecte. Nu așezați două sau mai multe bobine toroidale pe o axă de fier. Acest lucru poate duce la citiri incorecte ale inductanței totale.
rezumat
Inductorul joacă un rol foarte important în electronică, în special în echipamentele transceiver. Pe bobine inductoare sunt, de asemenea, construite diferite tipuri de echipamente electronice radio, iar în inginerie electrică este folosită și ca limitator de supratensiune.
Băieții de la Soldering Iron au făcut un filmuleț foarte bun despre un inductor. Recomand cu siguranță vizionarea:
Un conductor prin care trece curentul electric creează un câmp magnetic care este caracterizat de un vector de tensiune `H(Fig. 3). Intensitatea câmpului magnetic respectă principiul suprapunerii
și, conform legii Biot-Savart-Laplace,
Unde eu– puterea curentului în conductor, – vector având lungimea unui segment elementar al conductorului și direcționat în direcția curentului, `r– vector rază care leagă elementul cu punctul în cauză P.
Una dintre cele mai comune configurații ale conductorilor purtători de curent este o bobină sub forma unui inel cu raza R (Fig. 3, a). Câmpul magnetic al unui astfel de curent într-un plan care trece prin axa de simetrie are forma (vezi Fig. 3, b). Câmpul în ansamblu trebuie să aibă simetrie de rotație în raport cu axa z (Fig. 3, b), iar liniile câmpului în sine trebuie să fie simetrice față de planul buclei (planul buclei). X y). Câmpul din imediata apropiere a conductorului se va asemăna cu câmpul din apropierea unui fir drept lung, deoarece aici influența părților îndepărtate ale buclei este relativ mică. Pe axa curentului circular, câmpul este direcționat de-a lungul axei Z.
Să calculăm intensitatea câmpului magnetic pe axa inelului într-un punct situat la o distanță z de planul inelului. Folosind formula (6), este suficient să calculați componenta z a vectorului:
. (7)
Integrând pe întregul inel, obținem òd l= 2p R. Pentru că, conform teoremei lui Pitagora r 2 = R 2 + z 2 , atunci câmpul necesar într-un punct de pe axă este egal ca mărime
. (8)
Direcția vectorială `H poate fi direcționat după regula corectă a șurubului.
În centrul inelului z= 0 și formula (8) simplifică:
Suntem interesati de tambur scurt– o bobină de sârmă cilindrică constând din N viraje de aceeași rază. Datorită simetriei axiale și în conformitate cu principiul suprapunerii, câmpul magnetic al unei astfel de bobine pe axa H este suma algebrică a câmpurilor spirelor individuale H eu: . Astfel, câmpul magnetic al unei bobine scurte care conține N k se rotește, într-un punct arbitrar al axei se calculează folosind formulele
, 
, (10)
Unde H- tensiune, B– inducția câmpului magnetic.
Câmp magnetic al unui solenoid cu curent
Pentru a calcula inducția câmpului magnetic în solenoid, se utilizează teorema privind circulația vectorului de inducție magnetică:
, (11)
unde este suma algebrică a curenților acoperiți de circuit L liber de la, n– numărul de conductoare cu curenți acoperiți de circuit. În acest caz, fiecare curent este luat în considerare de câte ori este de câte ori este acoperit de circuit, iar un curent este considerat pozitiv, a cărui direcție formează un sistem de dreapta cu direcția de traversare de-a lungul circuitului. - un element de circuit L.
Să aplicăm teorema privind circulația vectorului de inducție magnetică la un solenoid de lungime l având N cu viraje cu puterea curentului eu(Fig. 4). În calcul, ținem cont că aproape întreg câmpul este concentrat în interiorul solenoidului (neglijăm efectele de margine) și este uniform. Apoi formula 11 va lua forma:
,
de unde găsim inducția câmpului magnetic creat de curentul din interiorul solenoidului:
 |
Orez. 4. Solenoid cu curent și câmpul magnetic al acestuia
Schema de instalare
Orez. 5 Schema electrică schematică a instalației
1 – contor de inducție a câmpului magnetic (teslametru), A – ampermetru, 2 – fir de legătură, 3 – sondă de măsurare, 4 – senzor Hall*, 5 – obiect în studiu (bobină scurtă, conductor drept, solenoid), 6 – sursă de curent, 7 – riglă pentru fixarea poziţiei senzorului, 8 – suport sondă.
* – principiul de funcționare al senzorului se bazează pe fenomenul efectului Hall (vezi lucrarea de laborator Nr. 15 Studiul efectului Hall)
Comandă de lucru
1. Studiul câmpului magnetic al unei bobine scurte
1.1. Porniți dispozitivele. Sursa de alimentare și comutatoarele teslametrului sunt situate pe panourile din spate.
1.2. Ca obiect studiat 5 (vezi Fig. 5), instalați o bobină scurtă în suport și conectați-o la sursa de curent 6.
1.3. Setați regulatorul de tensiune de pe sursa 6 în poziția de mijloc. Setați puterea curentului la zero ajustând ieșirea de curent pe sursa 6 și monitorizați cu un ampermetru (valoarea ar trebui să fie zero).
1.4. Utilizați regulatoarele de reglare grosieră 1 și de reglare fină 2 (Fig. 6) pentru a obține valori zero pe teslametru.
1.5. Așezați suportul cu sonda de măsurare pe riglă într-o poziție convenabilă pentru citire - de exemplu, la coordonatele 300 mm. În viitor, luați această poziție ca zero. În timpul instalării și în timpul măsurătorilor, asigurați-vă paralelismul între sondă și riglă.
1.6. Poziționați suportul cu o bobină scurtă astfel încât senzorul Hall 4 să fie în centrul spirelor bobinei (Fig. 7). Pentru a face acest lucru, utilizați șurubul de strângere de reglare a înălțimii de pe suportul sondei de măsurare. Planul bobinei trebuie să fie perpendicular pe sondă. În procesul de pregătire a măsurătorilor, mutați suportul cu proba de testat, lăsând sonda de măsurare nemișcată.
1.7. Asigurați-vă că în timp ce teslametrul se încălzește, citirile sale rămân zero. Dacă nu se face acest lucru, setați teslametrul la zero citiri la curent zero în probă.
1.8. Setați curentul din bobina scurtă la 5 A (prin reglarea ieșirii de pe sursa de alimentare 6, Constanter/Netzgerät Universal).
1.9. Măsurați inducția magnetică B exp pe axa bobinei în funcție de distanța până la centrul bobinei. Pentru a face acest lucru, mutați suportul sondei de măsurare de-a lungul riglei, menținând paralelismul la poziția inițială. Valorile z negative corespund unei deplasări a sondei într-o zonă de coordonate mai mici decât cea inițială și invers - valori z pozitive - într-o zonă de coordonate mari. Introduceți datele în tabelul 1.
Tabelul 1 Dependența inducției magnetice de axa unei bobine scurte de distanța până la centrul bobinei
1.10. Repetați punctele 1.2 – 1.7.
1.11. Măsurați dependența inducției în centrul spirei de curentul care trece prin bobină. Introduceți datele în tabelul 2.
Tabelul 2 Dependența inducției magnetice în centrul unei bobine scurte de puterea curentului din aceasta
2. Studiul câmpului magnetic al solenoidului
2.1. Ca obiect de testare 5, instalați solenoidul pe un banc metalic reglabil pe înălțime din material nemagnetic (Fig. 8).
2.2. Repetați 1.3 – 1.5.
2.3. Reglați înălțimea bancului astfel încât sonda de măsurare să treacă de-a lungul axei de simetrie a solenoidului, iar senzorul Hall să fie în mijlocul spirelor solenoidului.
2.4. Repetați pașii 1.7 – 1.11 (aici se folosește un solenoid în loc de o bobină scurtă). Introduceți datele în tabelele 3 și, respectiv, 4. În acest caz, determinați coordonatele centrului solenoidului după cum urmează: instalați senzorul Hall la începutul solenoidului și fixați coordonata suportului. Apoi mutați suportul de-a lungul riglei de-a lungul axei solenoidului până când capătul senzorului se află pe cealaltă parte a solenoidului. Fixați coordonatele titularului în această poziție. Coordonata centrului solenoidului va fi egală cu media aritmetică a celor două coordonate măsurate.
Tabelul 3 Dependența inducției magnetice de axa solenoidului de distanța până la centrul acestuia.
2.5. Repetați punctele 1.3 – 1.7.
2.6. Măsurați dependența inducției din centrul solenoidului de curentul care trece prin bobină. Introduceți datele în tabelul 4.
Tabelul 4 Dependența inducției magnetice în centrul solenoidului de puterea curentului din acesta
3. Studiul câmpului magnetic al unui conductor drept cu curent
3.1. Ca obiect de studiu 5, instalați un conductor drept cu curent (Fig. 9, a). Pentru a face acest lucru, conectați firele care vin de la ampermetru și sursa de alimentare între ele (scurtcircuitați circuitul extern) și plasați conductorul direct pe marginea sondei 3 la senzorul 4, perpendicular pe sondă (Fig. 9, b). Pentru a susține conductorul, utilizați un banc metalic reglabil pe înălțime din material nemagnetic pe o parte a sondei și un suport pentru eșantioanele de testat pe cealaltă parte (un terminal al conductorului poate fi introdus într-una dintre mufele suport pentru mai multe fixarea sigură a acestui conductor). Dați conductorului o formă dreaptă.
3.2. Repetați punctele 1.3 – 1.5.
3.3. Determinați dependența inducției magnetice de puterea curentului din conductor. Introduceți datele măsurate în tabelul 5.
Tabelul 5 Dependența inducției magnetice creată de un conductor drept de puterea curentului din acesta
4. Determinarea parametrilor obiectelor studiate
4.1. Determinați (măsurați, dacă este necesar) și înregistrați în tabelul 6 datele necesare pentru calcule: N la– numărul de spire ale unei bobine scurte, R– raza acestuia; N s– numărul de spire ale solenoidului, l- lungimea sa, L– inductanța acesteia (indicată pe solenoid), d– diametrul acestuia.
Tabelul 6 Parametrii probelor studiate
| N La | R | N Cu | d | l | L |
Prelucrarea rezultatelor
1. Folosind formula (10), calculați inducția magnetică creată de o bobină scurtă cu curent. Introduceți datele în tabelele 1 și 2. Pe baza datelor din tabelul 1, construiți o dependență teoretică și experimentală a inducției magnetice pe axa unei bobine scurte pe distanța z până la centrul bobinei. Construiți dependențe teoretice și experimentale în aceleași axe de coordonate.
2. Pe baza datelor din tabelul 2, construiți o dependență teoretică și experimentală a inducției magnetice în centrul unei bobine scurte de puterea curentului din aceasta. Construiți dependențe teoretice și experimentale în aceleași axe de coordonate. Calculați intensitatea câmpului magnetic în centrul bobinei atunci când curentul în ea este de 5 A utilizând formula (10).
3. Folosind formula (12), calculați inducția magnetică creată de solenoid. Introduceți datele în tabelele 3 și 4. Pe baza datelor din tabelul 3, construiți o dependență teoretică și experimentală a inducției magnetice pe axa solenoidului de distanța z până la centrul acestuia. Construiți dependențe teoretice și experimentale în aceleași axe de coordonate.
4. Pe baza datelor din tabelul 4, construiți o dependență teoretică și experimentală a inducției magnetice din centrul solenoidului de puterea curentului din acesta. Construiți dependențe teoretice și experimentale în aceleași axe de coordonate. Calculați intensitatea câmpului magnetic în centrul solenoidului când curentul în acesta este de 5 A.
5. Pe baza datelor din tabelul 5, construiți o dependență experimentală a inducției magnetice create de conductor de puterea curentului din acesta.
6. Pe baza formulei (5), determinați cea mai scurtă distanță r o de la senzor la conductorul purtător de curent (această distanță este determinată de grosimea izolației conductorului și de grosimea izolației senzorului din sondă). Introduceți rezultatele calculului în tabelul 5. Calculați valoarea medie aritmetică r o, comparați cu o valoare observată vizual.
7. Calculați inductanța solenoidului L. Introduceți rezultatele calculului în tabelul 4. Comparați valoarea medie rezultată L cu o valoare fixă a inductanței în tabelul 6. Pentru a calcula, utilizați formula, unde Y– legătură de flux, Y = N cu BS, Unde ÎN– inducție magnetică în solenoid (conform Tabelului 4), S= p d 2/4 - aria secțiunii transversale a solenoidului.
Întrebări de control
1. Ce este legea Biot-Savart-Laplace și cum se aplică atunci când se calculează câmpurile magnetice ale conductorilor purtători de curent?
2. Cum se determină direcția vectorului Hîn legea Biot-Savart-Laplace?
3. Cum sunt interconectați vectorii de inducție magnetică? Bși tensiune H intre ei? Care sunt unitățile lor de măsură?
4. Cum se utilizează legea Biot-Savart-Laplace în calcularea câmpurilor magnetice?
5. Cum se măsoară câmpul magnetic în această lucrare? Pe ce fenomen fizic se bazează principiul măsurării câmpului magnetic?
6. Definiți inductanța, fluxul magnetic, legătura de flux. Specificați unitățile de măsură pentru aceste mărimi.
bibliografie
literatură educațională
1. Kalashnikov N.P. Fundamentele fizicii. M.: Butard, 2004. T. 1
2. Savelev I.V.. curs de fizica. M.: Nauka, 1998. T. 2.
3. Detlaf A.A.,Yavorsky B.M. curs de fizica. M.: Şcoala superioară, 2000.
4. Irodov I.E. Electromagnetism. M.: Binom, 2006.
5. Yavorsky B.M.,Detlaf A.A. Manual de fizică. M.: Nauka, 1998.
Bun venit tuturor pe site-ul nostru!
Continuăm să studiem Electronică de la bun început, adică chiar de la bază, iar subiectul articolului de astăzi va fi principiul de funcționare și principalele caracteristici ale inductorilor. Privind în perspectivă, voi spune că mai întâi vom discuta aspecte teoretice, iar câteva articole viitoare vor fi dedicate în întregime luării în considerare a diferitelor circuite electrice care folosesc inductori, precum și elementele pe care le-am studiat mai devreme în cursul nostru - și.
Proiectarea și principiul de funcționare a unui inductor.
După cum este deja clar din numele elementului, un inductor, în primul rând, este doar o bobină :), adică un număr mare de spire ale unui conductor izolat. În plus, prezența izolației este cea mai importantă condiție - spirele bobinei nu trebuie să se scurtcircuite unele cu altele. Cel mai adesea, spirele sunt înfășurate pe un cadru cilindric sau toroidal:
Cea mai importantă caracteristică inductori este, firesc, inductanță, altfel de ce i s-ar da un astfel de nume :) Inductanța este capacitatea de a converti energia unui câmp electric în energia unui câmp magnetic. Această proprietate a bobinei se datorează faptului că atunci când curentul trece prin conductor, în jurul acestuia apare un câmp magnetic:
Și iată cum arată câmpul magnetic care apare atunci când curentul trece prin bobină:
În general, strict vorbind, orice element dintr-un circuit electric are inductanță, chiar și o bucată obișnuită de fir. Dar adevărul este că mărimea unei astfel de inductanțe este foarte nesemnificativă, în contrast cu inductanța bobinelor. De fapt, pentru a caracteriza această valoare se folosește unitatea de măsură Henry (H). 1 Henry este de fapt o valoare foarte mare, deci µH (microhenry) și mH (milihenry) sunt cel mai des folosite. mărimea inductanţă bobinele pot fi calculate folosind următoarea formulă:
Să ne dăm seama ce fel de valoare este inclusă în această expresie:
Din formula rezultă că, pe măsură ce numărul de spire sau, de exemplu, diametrul (și, în consecință, aria secțiunii transversale) bobinei crește, inductanța va crește. Și pe măsură ce lungimea crește, aceasta scade. Astfel, spirele bobinei trebuie plasate cât mai aproape una de cealaltă, deoarece acest lucru va duce la o scădere a lungimii bobinei.
CU dispozitiv inductor Ne-am dat seama, este timpul să luăm în considerare procesele fizice care au loc în acest element atunci când trece un curent electric. Pentru a face acest lucru, vom lua în considerare două circuite - într-unul vom trece curent continuu prin bobină, iar în celălalt - curent alternativ :)
Deci, în primul rând, să ne dăm seama ce se întâmplă în bobină în sine atunci când curge curentul. Dacă curentul nu își schimbă valoarea, atunci bobina nu are niciun efect asupra sa. Înseamnă asta că în cazul curentului continuu nu trebuie luată în considerare utilizarea inductoarelor? Dar nu :) La urma urmei, curentul continuu poate fi pornit/dezactivat și tocmai în momentul comutării se întâmplă toate cele mai interesante lucruri. Să ne uităm la circuit:
În acest caz, rezistorul acționează ca o sarcină; în locul său ar putea fi, de exemplu, o lampă. Pe lângă rezistor și inductanță, circuitul include o sursă de curent continuu și un comutator cu care vom închide și deschide circuitul.
Ce se întâmplă în momentul în care închidem comutatorul?
Curentul bobinei va începe să se schimbe, deoarece în momentul anterior în timp era egal cu 0. O modificare a curentului va duce la o modificare a fluxului magnetic în interiorul bobinei, care, la rândul său, va provoca apariția EMF (forță electromotoare) de auto-inducere, care poate fi exprimată astfel:
Apariția EMF va duce la apariția unui curent indus în bobină, care va curge în direcția opusă direcției curentului sursei de alimentare. Astfel, fem-ul auto-indus va împiedica curentul să circule prin bobină (curentul indus va anula curentul circuitului datorită faptului că direcțiile lor sunt opuse). Aceasta înseamnă că în momentul inițial de timp (imediat după închiderea comutatorului) curentul prin bobină va fi egal cu 0. În acest moment, EMF de auto-inducție este maximă. Ce se va întâmpla în continuare? Deoarece magnitudinea EMF este direct proporțională cu rata de schimbare a curentului, acesta se va slăbi treptat, iar curentul, în consecință, dimpotrivă, va crește. Să ne uităm la graficele care ilustrează ceea ce am discutat:
În primul grafic vedem tensiunea de intrare a circuitului– circuitul este deschis inițial, dar când întrerupătorul este închis apare o valoare constantă. În al doilea grafic vedem modificarea curentului prin bobină inductanţă. Imediat după închiderea comutatorului, curentul este absent din cauza apariției EMF de auto-inducție și apoi începe să crească treptat. Tensiunea de pe bobină, dimpotrivă, este la maxim în momentul inițial de timp, apoi scade. Graficul tensiunii pe sarcină va coincide ca formă (dar nu ca mărime) cu graficul curentului prin bobină (deoarece într-o conexiune în serie curentul care curge prin diferite elemente ale circuitului este același). Astfel, dacă folosim o lampă ca sarcină, acestea nu se vor aprinde imediat după închiderea comutatorului, ci cu o ușoară întârziere (conform graficului curent).
Un proces tranzitoriu similar în circuit va fi observat atunci când cheia este deschisă. O f.e.m. auto-inductivă va apărea în inductor, dar curentul indus în cazul unui circuit deschis va fi direcționat în aceeași direcție cu curentul din circuit și nu în direcția opusă, prin urmare energia stocată a inductorului va fi folosit pentru a menține curentul în circuit:
După deschiderea comutatorului, are loc o FEM de auto-inducție, care împiedică scăderea curentului prin bobină, astfel încât curentul nu ajunge imediat la zero, ci după un timp. Tensiunea din bobina este identica ca forma cu cazul inchiderii intrerupatorului, dar opus ca semn. Acest lucru se datorează faptului că modificarea curentului și, în consecință, fem-ul auto-inductiv în primul și al doilea caz, este opus în semn (în primul caz, curentul crește, iar în al doilea scade).
Apropo, am menționat că mărimea EMF de auto-inducție este direct proporțională cu rata de schimbare a curentului, deci coeficientul de proporționalitate nu este altceva decât inductanța bobinei:
Acest lucru se încheie cu inductori în circuitele DC și trece la circuite AC.
Luați în considerare un circuit în care este furnizat curent alternativ la inductor:
Să ne uităm la dependențele EMF curente și de auto-inducție la timp și apoi ne vom da seama de ce arată astfel:
După cum am aflat deja EMF autoindusă avem un semn direct proporțional și opus al ratei de schimbare a curentului:
De fapt, graficul ne arată această dependență :) Vedeți singur - între punctele 1 și 2 curentul se modifică, iar cu cât mai aproape de punctul 2, cu atât sunt mai mici modificările, iar la punctul 2 pentru o perioadă scurtă de timp curentul nu se modifică la tot sensul ei. În consecință, rata de schimbare a curentului este maximă la punctul 1 și scade ușor pe măsură ce se apropie de punctul 2, iar la punctul 2 este egală cu 0, ceea ce vedem în graficul EMF autoindus. Mai mult, pe întregul interval 1-2, curentul crește, ceea ce înseamnă că rata de modificare a acestuia este pozitivă și, prin urmare, EMF pe întreg acest interval, dimpotrivă, ia valori negative.
În mod similar, între punctele 2 și 3 - curentul scade - rata de schimbare a curentului este negativă și crește - fem de auto-inducție crește și este pozitivă. Nu voi descrie secțiunile rămase ale graficului - toate procesele de acolo decurg conform aceluiași principiu :)
În plus, pe grafic puteți observa un punct foarte important - odată cu creșterea curentului (secțiunile 1-2 și 3-4), EMF de auto-inducție și curentul au semne diferite (secțiunea 1-2: , title="(! LANG: Redat de QuickLaTeX.com" height="12" width="39" style="vertical-align: 0px;">, участок 3-4: title="Redat de 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:!}
Unde este frecvența circulară: . - Acest .
Astfel, cu cât frecvența curentului este mai mare, cu atât este mai mare rezistența pe care i-o va oferi inductorul. Și dacă curentul este constant (= 0), atunci reactanța bobinei este 0, în consecință, nu are niciun efect asupra curentului care curge.
Să ne întoarcem la graficele noastre pe care le-am făcut pentru cazul utilizării unui inductor într-un circuit de curent alternativ. Am determinat fem-ul de autoinducție al bobinei, dar care va fi tensiunea? Totul aici este de fapt simplu :) Conform celei de-a doua legi a lui Kirchhoff:
Si in consecinta:
Să reprezentăm pe un grafic dependența curentului și a tensiunii din circuit în timp:
După cum puteți vedea, curentul și tensiunea sunt deplasate în fază () unul față de celălalt, iar aceasta este una dintre cele mai importante proprietăți ale circuitelor de curent alternativ în care este utilizat un inductor:
Când un inductor este conectat la un circuit de curent alternativ, în circuit apare o schimbare de fază între tensiune și curent, curentul fiind defazat cu tensiunea cu un sfert de perioadă.
Așa că ne-am dat seama cum să conectăm bobina la circuitul AC :)
Aici vom termina probabil articolul de astăzi; s-a dovedit deja a fi destul de lung, așa că vom continua conversația despre inductori data viitoare. Așa că ne vedem curând, vom fi bucuroși să vă vedem pe site-ul nostru!
Dacă un conductor drept este rostogolit într-un cerc, atunci câmpul magnetic al unui curent circular poate fi studiat.
Să efectuăm experimentul (1). Vom trece firul sub formă de cerc prin carton. Să plasăm mai multe săgeți magnetice libere pe suprafața cartonului în diferite puncte. Să pornim curentul și să vedem că săgețile magnetice din centrul bobinei arată aceeași direcție, iar în exteriorul bobinei pe ambele părți în direcția opusă.
Acum să repetăm experimentul (2), schimbând polii și, prin urmare, direcția curentului. Vedem că săgețile magnetice și-au schimbat direcția pe întreaga suprafață a cartonului cu 180 de grade.
Să conchidem: liniile magnetice ale curentului circular depind și de direcția curentului în conductor.
Să efectuăm experimentul 3. Îndepărtați săgețile magnetice, porniți curentul electric și turnați cu grijă mici pilitură de fier pe întreaga suprafață a cartonului Obținem o imagine a liniilor magnetice de forță, care se numește „spectrul câmpului magnetic a unui curent circular”. Cum, în acest caz, putem determina direcția liniilor câmpului magnetic? Aplicam din nou regula gimlet, dar aplicata la un curent circular. Dacă direcția de rotație a mânerului brațului este combinată cu direcția curentului în conductorul circular, atunci direcția mișcării de translație a braței va coincide cu direcția liniilor magnetice de forță.
Să luăm în considerare mai multe cazuri.
1. Planul bobinei se află în planul foii, curentul de-a lungul bobinei curge în sensul acelor de ceasornic. Prin rotirea bobinei în sensul acelor de ceasornic, determinăm că liniile magnetice de forță din centrul bobinei sunt direcționate în interiorul bobinei „departe de noi”. Acest lucru este indicat în mod convențional printr-un semn „+” (plus). Acestea. în centrul bobinei punem „+”
2. Planul bobinei se află în planul foii, curentul de-a lungul bobinei circulă în sens invers acelor de ceasornic. Prin rotirea bobinei în sens invers acelor de ceasornic, determinăm că liniile magnetice de forță ies din centrul bobinei „spre noi”. Acest lucru este indicat în mod convențional prin „∙” (punct). Acestea. în centrul virajului trebuie să punem un punct (“∙”).
Dacă un conductor drept este înfășurat în jurul unui cilindru, obțineți o bobină cu curent sau un solenoid.
Să realizăm experimentul (4.) Folosim același circuit pentru experiment, doar firul este trecut acum prin carton sub formă de bobină. Să asezăm mai multe ace magnetice libere pe planul cartonului în puncte diferite: la ambele capete ale bobinei, în interiorul bobinei și pe ambele părți în exterior. Lăsați bobina să fie poziționată orizontal (în direcția de la stânga la dreapta). Să pornim circuitul și să aflăm că săgețile magnetice situate de-a lungul axei bobinei arată o direcție. Remarcăm că la capătul din dreapta al bobinei săgeata arată că liniile de forță intră în bobină, ceea ce înseamnă că acesta este „polul sud” (S), iar în stânga săgeata magnetică arată că acestea ies, acesta este „polul nord” (N). Pe exteriorul bobinei, acele magnetice au direcția opusă față de direcția din interiorul bobinei.
Să efectuăm experimentul (5). În același circuit, să schimbăm direcția curentului. Vom constata că direcția tuturor acelor magnetice s-a schimbat, s-au întors la 180 de grade. Concluzionăm: direcția liniilor câmpului magnetic depinde de direcția curentului de-a lungul spirelor bobinei.
Să efectuăm experimentul (6). Să scoatem săgețile magnetice și să pornim circuitul. Sarați cu grijă cartonul cu pilitură de fier în interiorul și exteriorul bobinei. Obținem o imagine a liniilor de câmp magnetic, care se numește „spectrul câmpului magnetic al unei bobine cu curent”
Cum putem determina direcția liniilor câmpului magnetic? Direcția liniilor câmpului magnetic este determinată de regula gimlet în același mod ca pentru o bobină cu curent: Dacă direcția de rotație a mânerului gimlet este combinată cu direcția curentului în bobine, atunci direcția de translație. mișcarea va coincide cu direcția liniilor câmpului magnetic din interiorul solenoidului. Câmpul magnetic al unui solenoid este similar cu câmpul magnetic al unui magnet cu bară permanentă. Capătul bobinei din care ies liniile de câmp va fi „polul nord” (N), iar capătul în care intră liniile de câmp va fi „polul sud” (S).
După descoperirea lui Hans Oersted, mulți oameni de știință au început să-i repete experimentele, inventând altele noi pentru a descoperi dovezi ale conexiunii dintre electricitate și magnetism. Omul de știință francez Dominique Arago a plasat o tijă de fier într-un tub de sticlă și a înfășurat deasupra acestuia un fir de cupru, prin care trecea un curent electric. De îndată ce Arago a închis circuitul electric, tija de fier a devenit atât de puternic magnetizată încât a atras cheile de fier spre sine. A fost nevoie de mult efort pentru a scoate cheile. Când Arago a oprit sursa de alimentare, cheile au căzut de la sine! Deci Arago a inventat primul electromagnet. Electromagneții moderni sunt formați din trei părți: înfășurare, miez și armătură. Firele sunt plasate într-o manta speciala, care actioneaza ca un izolator. O bobină multistrat este înfășurată cu sârmă - înfășurarea unui electromagnet. Ca miez este folosită o tijă de oțel. Placa care este atrasă de miez se numește armătură. Electromagneții sunt folosiți pe scară largă în industrie datorită proprietăților lor: se demagnetizează rapid atunci când curentul este oprit; pot fi realizate într-o varietate de dimensiuni în funcție de scop; Schimbând puterea curentului, puteți regla acțiunea magnetică a electromagnetului. Electromagneții sunt folosiți în fabrici pentru a transporta produse din oțel și fontă. Acești magneți au o forță mare de ridicare. Electromagneții sunt, de asemenea, folosiți în clopoței electrice, separatoare electromagnetice, microfoane și telefoane. Astăzi ne-am uitat la câmpul magnetic al unui curent circular, bobine cu curent. Ne-am familiarizat cu electromagneții, utilizarea lor în industrie și economia națională.
Se încarcă...
