Linije magnetnog polja provodnika sa strujom. Magnetno polje pravog provodnika. Magnetne linije (Grebenyuk Yu.V.). Magnetno polje kružne struje

Teme USE kodifikatora: interakcija magneta, magnetsko polje provodnika sa strujom.

Magnetska svojstva materije poznata su ljudima od davnina. Magneti su dobili ime po drevnom gradu Magneziji: u njegovoj blizini bio je rasprostranjen mineral (kasnije nazvan magnetna željezna ruda ili magnetit), čiji su komadići privlačili željezne predmete.

Interakcija magneta

Na dvije strane svakog magneta nalaze se sjeverni pol i Južni pol. Dva magneta međusobno privlače suprotni polovi i odbijaju se od sličnih polova. Magneti mogu djelovati jedni na druge čak i kroz vakuum! Međutim, sve to podsjeća na interakciju električnih naboja interakcija magneta nije električna. O tome svjedoče sljedeće eksperimentalne činjenice.

Magnetna sila slabi kada se magnet zagrije. Jačina interakcije tačkastih naelektrisanja ne zavisi od njihove temperature.

Magnetna sila se slabi tresenjem magneta. Ništa slično se ne dešava sa električno nabijenim tijelima.

Pozitivni električni naboji se mogu odvojiti od negativnih (na primjer, kada su tijela naelektrizirana). Ali nemoguće je razdvojiti polove magneta: ako presiječete magnet na dva dijela, tada se na mjestu reza pojavljuju i polovi, a magnet se raspada na dva magneta s suprotnim polovima na krajevima (orijentirani u potpuno istom način kao polovi originalnog magneta).

Dakle, magneti uvijek bipolarni, postoje samo u obliku dipoli. Izolovani magnetni polovi (tzv magnetnih monopola- analozi električnog naboja) u prirodi ne postoje (u svakom slučaju, još nisu eksperimentalno otkriveni). Ovo je možda najimpresivnija asimetrija između elektriciteta i magnetizma.

Poput električno nabijenih tijela, magneti djeluju na električna naboja. Međutim, magnet djeluje samo na njega kreće se punjenje; Ako naboj miruje u odnosu na magnet, tada na naboj ne djeluje magnetna sila. Naprotiv, naelektrisano tijelo djeluje na bilo koji naboj, bez obzira da li miruje ili je u pokretu.

Prema modernim konceptima teorije djelovanja kratkog dometa, interakcija magneta se odvija kroz magnetsko polje Naime, magnet stvara magnetno polje u okolnom prostoru, koje djeluje na drugi magnet i uzrokuje vidljivo privlačenje ili odbijanje ovih magneta.

Primjer magneta je magnetna igla kompas. Uz pomoć magnetne igle može se suditi o prisutnosti magnetnog polja u datom području prostora, kao io smjeru polja.

Naša planeta Zemlja je džinovski magnet. Nedaleko od geografskog sjevernog pola Zemlje nalazi se južni magnetni pol. Dakle, sjeverni kraj igle kompasa, okrenut prema južnom magnetskom polu Zemlje, pokazuje na geografski sjever. Otuda je, zapravo, nastao naziv "sjeverni pol" magneta.

Linije magnetnog polja

Električno polje se, podsjetimo, istražuje uz pomoć malih probnih naboja, djelovanjem po kojem se može suditi o veličini i smjeru polja. Analog probnog naboja u slučaju magnetskog polja je mala magnetna igla.

Na primjer, možete dobiti neku geometrijsku predstavu o magnetskom polju postavljanjem vrlo malih iglica kompasa na različite točke u prostoru. Iskustvo pokazuje da će se strelice poredati duž određenih linija – tzv linije magnetnog polja. Hajde da definišemo ovaj koncept u obliku sledeća tri paragrafa.

1. Linije magnetnog polja, ili magnetne linije sile, su usmjerene linije u prostoru koje imaju sljedeće svojstvo: mala igla kompasa postavljena u svakoj tački takve linije orijentirana je tangencijalno na ovu liniju.

2. Smjer linije magnetskog polja je smjer sjevernih krajeva igala kompasa koji se nalaze u tačkama ove linije.

3. Što su linije deblje, to je jače magnetno polje u datom području prostora..

Ulogu igle kompasa mogu uspješno obavljati gvozdene strugotine: u magnetnom polju, male strugotine se magnetiziraju i ponašaju se kao magnetne igle.

Dakle, izlivši gvozdene strugotine oko stalnog magneta, videćemo otprilike sledeću sliku linija magnetnog polja (slika 1).

Rice. 1. Trajno magnetno polje

Sjeverni pol magneta je označen plavom bojom i slovom; južni pol - crveno i slovo . Imajte na umu da linije polja izlaze iz sjevernog pola magneta i ulaze u južni pol, jer je sjeverni kraj igle kompasa usmjeren na južni pol magneta.

Oerstedovo iskustvo

Unatoč činjenici da su električni i magnetski fenomeni poznati ljudima od antike, dugo vremena nije uočena nikakva veza između njih. Nekoliko vekova istraživanja elektriciteta i magnetizma odvijala su se paralelno i nezavisno jedno od drugog.

Izvanredna činjenica da su električni i magnetski fenomeni zapravo povezani jedni s drugima prvi put je otkrivena 1820. godine u čuvenom Oerstedovom eksperimentu.

Šema Oerstedovog eksperimenta prikazana je na sl. 2 (slika sa rt.mipt.ru). Iznad magnetne igle (i - sjevernog i južnog pola strelice) je metalni provodnik spojen na izvor struje. Ako zatvorite krug, strelica se okreće okomito na provodnik!
Ovaj jednostavan eksperiment je direktno ukazao na odnos između elektriciteta i magnetizma. Eksperimenti koji su slijedili Oerstedovo iskustvo čvrsto su utvrdili sljedeći obrazac: magnetsko polje nastaje električnim strujama i djeluje na struje.

Rice. 2. Oerstedov eksperiment

Slika linija magnetskog polja koje stvara provodnik sa strujom zavisi od oblika provodnika.

Magnetno polje ravne žice sa strujom

Linije magnetnog polja ravne žice koja vodi struju su koncentrični krugovi. Centri ovih kružnica leže na žici, a njihove ravni su okomite na žicu (slika 3).

Rice. 3. Polje direktne žice sa strujom

Postoje dva alternativna pravila za određivanje smjera linija magnetskog polja jednosmjerne struje.

pravilo satne kazaljke. Linije polja idu suprotno od kazaljke na satu kada se gledaju tako da struja teče prema nama..

pravilo za zavrtnje(ili pravilo gimleta, ili pravilo vadičepa- nekome je bliže ;-)). Linije polja idu tamo gdje se vijak (sa konvencionalnim desnim navojem) mora okrenuti da bi se kretao duž navoja u smjeru struje.

Koristite bilo koje pravilo koje vam najviše odgovara. Bolje je da se naviknete na pravilo u smjeru kazaljke na satu – kasnije ćete se uvjeriti da je univerzalniji i lakši za upotrebu (i onda ga se sa zahvalnošću prisjetite na prvoj godini kada budete studirali analitičku geometriju).

Na sl. 3, pojavilo se i nešto novo: ovo je vektor, koji se zove indukcija magnetnog polja, ili magnetna indukcija. Vektor magnetske indukcije je analog vektora jakosti električnog polja: on služi karakteristika snage magnetsko polje, određujući silu kojom magnetno polje djeluje na pokretne naboje.

Kasnije ćemo govoriti o silama u magnetskom polju, ali za sada ćemo samo napomenuti da je veličina i smjer magnetskog polja određen vektorom magnetske indukcije. U svakoj tački u prostoru, vektor je usmjeren u istom smjeru kao i sjeverni kraj igle kompasa postavljenog u ovoj tački, odnosno tangenta na liniju polja u smjeru ove linije. Magnetna indukcija se mjeri u teslach(Tl).

Kao iu slučaju električnog polja, za indukciju magnetnog polja, princip superpozicije. Leži u činjenici da indukcija magnetnih polja stvorenih u datoj tački raznim strujama se vektorski zbrajaju i daju rezultirajući vektor magnetske indukcije:.

Magnetno polje zavojnice sa strujom

Zamislite kružni kalem kroz koji kruži jednosmjerna struja. Na slici ne prikazujemo izvor koji stvara struju.

Slika linija polja našeg okreta imat će približno sljedeći oblik (slika 4).

Rice. 4. Polje zavojnice sa strujom

Bit će nam važno da možemo odrediti u kojem je poluprostoru (u odnosu na ravan zavojnice) usmjereno magnetsko polje. Opet imamo dva alternativna pravila.

pravilo satne kazaljke. Linije polja idu tamo, gledajući odakle se čini da struja kruži suprotno od kazaljke na satu.

pravilo za zavrtnje. Linije polja idu tamo gdje bi se vijak (sa konvencionalnim desnim navojem) pomaknuo ako bi se rotirao u smjeru struje.

Kao što vidite, uloge struje i polja su obrnute - u poređenju sa formulacijama ovih pravila za slučaj jednosmerne struje.

Magnetno polje zavojnice sa strujom

Coil ispostaviće se, ako je čvrsto, namotaj do zavojnice, namotati žicu u dovoljno dugu spiralu (slika 5 - slika sa sajta en.wikipedia.org). Zavojnica može imati nekoliko desetina, stotina ili čak hiljada zavoja. Zavojnica se također naziva solenoid.

Rice. 5. Zavojnica (solenoid)

Magnetno polje jednog okreta, kao što znamo, ne izgleda baš jednostavno. Polja? pojedinačni zavoji namotaja su superponirani jedan na drugi, i čini se da bi rezultat trebao biti vrlo zbunjujuća slika. Međutim, to nije slučaj: polje dugačke zavojnice ima neočekivano jednostavnu strukturu (slika 6).

Rice. 6. polje zavojnice sa strujom

Na ovoj slici struja u zavojnici ide u smjeru suprotnom od kazaljke na satu kada se gleda s lijeve strane (to će se dogoditi ako je, na slici 5, desni kraj zavojnice spojen na "plus" izvora struje, a lijevi kraj na „minus“). Vidimo da magnetno polje zavojnice ima dva karakteristična svojstva.

1. Unutar zavojnice, dalje od njegovih rubova, nalazi se magnetno polje homogena: u svakoj tački vektor magnetske indukcije je isti po veličini i smjeru. Linije polja su paralelne prave; savijaju se samo blizu ivica zavojnice kada se ugase.

2. Izvan zavojnice, polje je blizu nule. Što je više zavoja u zavojnici, slabije je polje izvan njega.

Imajte na umu da beskonačno duga zavojnica uopće ne emituje polje: izvan zavojnice nema magnetnog polja. Unutar takvog namotaja, polje je svuda jednolično.

Zar te ne podsjeća ni na šta? Zavojnica je "magnetski" pandan kondenzatoru. Sjećate se da kondenzator stvara jednolično električno polje unutar sebe, čije su linije zakrivljene samo blizu rubova ploča, a izvan kondenzatora polje je blizu nule; kondenzator sa beskonačnim pločama uopšte ne oslobađa polje, a polje je svuda u njemu uniformno.

A sada - glavno zapažanje. Uporedite, molim vas, sliku linija magnetnog polja izvan zavojnice (slika 6) sa linijama polja magneta na sl. jedan . To je ista stvar, zar ne? A sada dolazimo do pitanja koje ste vjerovatno davno imali: ako se magnetsko polje generira strujama i djeluje na struje, koji je onda razlog za pojavu magnetnog polja u blizini stalnog magneta? Uostalom, čini se da ovaj magnet nije provodnik sa strujom!

Amperova hipoteza. Elementarne struje

U početku se smatralo da je interakcija magneta nastala zbog posebnih magnetnih naboja koncentrisanih na polovima. Ali, za razliku od elektriciteta, niko nije mogao izolovati magnetni naboj; uostalom, kao što smo već rekli, nije bilo moguće dobiti odvojeno sjeverni i južni pol magneta - polovi su uvijek prisutni u magnetu u paru.

Sumnje u vezi sa magnetnim nabojima pojačalo je iskustvo Oersteda, kada se pokazalo da magnetsko polje stvara električna struja. Štaviše, pokazalo se da je za bilo koji magnet moguće odabrati provodnik sa strujom odgovarajuće konfiguracije, tako da se polje ovog vodiča poklapa sa poljem magneta.

Amper je iznio hrabru hipotezu. Nema magnetnih naboja. Djelovanje magneta se objašnjava zatvorenim električnim strujama unutar njega..

Koje su to struje? Ove elementarne struje cirkuliraju unutar atoma i molekula; oni su povezani sa kretanjem elektrona u atomskim orbitama. Magnetno polje bilo kojeg tijela sastoji se od magnetnih polja ovih elementarnih struja.

Elementarne struje mogu biti nasumično locirane jedna u odnosu na drugu. Tada se njihova polja međusobno poništavaju, a tijelo ne pokazuje magnetska svojstva.

Ali ako su elementarne struje koordinirane, onda se njihova polja, zbrajajući, međusobno pojačavaju. Tijelo postaje magnet (slika 7; magnetsko polje će biti usmjereno prema nama; sjeverni pol magneta također će biti usmjeren prema nama).

Rice. 7. Elementarne struje magneta

Amperova hipoteza o elementarnim strujama razjasnila je svojstva magneta.Zagrijavanjem i drhtanjem magneta uništava se raspored njegovih elementarnih struja, a magnetna svojstva slabe. Nerazdvojivost polova magneta postala je očigledna: na mestu gde je magnet presečen, dobijamo iste elementarne struje na krajevima. Sposobnost tijela da se magnetizira u magnetskom polju objašnjava se koordinisanim poravnanjem elementarnih struja koje se pravilno "okreću" (o rotaciji kružne struje u magnetskom polju pročitajte u sljedećem listu).

Amperova hipoteza se pokazala točnom - to je pokazao daljnji razvoj fizike. Koncept elementarnih struja postao je sastavni dio teorije atoma, razvijene već u dvadesetom vijeku - skoro sto godina nakon Amperove briljantne pretpostavke.

Magnetno polje električne struje

Magnetno polje stvaraju ne samo prirodni ili umjetni, već i provodnik ako kroz njega prolazi električna struja. Dakle, postoji veza između magnetnih i električnih fenomena.

Nije teško osigurati da se oko vodiča kroz koji prolazi struja formira magnetsko polje. Iznad pokretne magnetne igle postavite ravan provodnik paralelno s njim i provedite električnu struju kroz njega. Strelica će zauzeti položaj okomito na provodnik.

Koje sile bi mogle navesti magnetnu iglu da se okrene? Očigledno, jačina magnetnog polja koje je nastalo oko vodiča. Isključite struju i magnetna igla će se vratiti u normalan položaj. To sugerira da je s isključenom strujom nestalo i magnetsko polje vodiča.

Dakle, električna struja koja prolazi kroz provodnik stvara magnetsko polje. Da biste saznali u kom smjeru će magnetska igla odstupiti, primijenite pravilo desne ruke. Ako se desna ruka stavi preko vodiča s dlanom nadolje tako da se smjer struje poklopi sa smjerom prstiju, tada će savijeni palac pokazati smjer odstupanja sjevernog pola magnetne igle postavljene ispod provodnika . Koristeći ovo pravilo i znajući polaritet strelice, također možete odrediti smjer struje u vodiču.

Magnetno polje pravog provodnika ima oblik koncentričnih krugova. Ako desnu ruku stavite preko provodnika dlanom nadole tako da vam se čini da struja izlazi iz vaših prstiju, tada će savijeni palac pokazivati na sjeverni pol magnetne igle.Takvo polje se naziva kružno magnetno polje.

Pravac linija sile kružnog polja zavisi od u provodniku i određen je tzv. "Gimlet" pravilo. Ako se gimlet mentalno zavrne u smjeru struje, tada će se smjer rotacije njegove ručke poklopiti sa smjerom linija sile magnetskog polja. Primjenjujući ovo pravilo, možete saznati smjer struje u vodiču, ako znate smjer linija polja koje stvara ova struja.

Vraćajući se na eksperiment sa magnetnom iglom, možemo se uveriti da je ona uvek smeštena svojim severnim krajem u pravcu linija magnetnog polja.

dakle, Pravi provodnik koji vodi električnu struju stvara magnetsko polje oko sebe. Ima oblik koncentričnih krugova i naziva se kružno magnetno polje.

Kiseli krastavci e. Magnetno polje solenoida

Magnetno polje nastaje oko bilo kojeg vodiča, bez obzira na njegov oblik, pod uvjetom da električna struja prolazi kroz provodnik.

U elektrotehnici se bavimo, koja se sastoji od niza zavoja. Da bismo proučili magnetsko polje zavojnice koja nas zanima, prvo razmotrimo kakav oblik ima magnetno polje jednog zavoja.

Zamislite zavojnicu debele žice koja prodire u list kartona i spojena je na izvor struje. Kada električna struja prođe kroz zavojnicu, oko svakog pojedinog dijela zavojnice formira se kružno magnetsko polje. Prema pravilu „gimleta“, lako je odrediti da magnetne linije sile unutar zavojnice imaju isti smjer (prema ili od nas, ovisno o smjeru struje u zavojnici), a izlaze iz jedne stranu zavojnice i uđite na drugu stranu. Niz takvih zavojnica, koji imaju oblik spirale, je tzv solenoid (zavojnica).

Oko solenoida, kada struja prođe kroz njega, formira se magnetsko polje. Dobiva se dodavanjem magnetnih polja svake zavojnice i po obliku podsjeća na magnetsko polje pravolinijskog magneta. Linije sile magnetskog polja solenoida, kao i kod pravolinijskog magneta, izlaze s jednog kraja solenoida i vraćaju se na drugi. Unutar solenoida imaju isti smjer. Dakle, krajevi solenoida imaju polaritet. Kraj iz kojeg izlaze linije sile je sjeverni pol solenoid, a kraj u koji ulaze linije sile je njegov južni pol.

Solenoidni polovi može se odrediti po pravilo desne ruke, ali za to morate znati smjer struje u njenim zavojima. Ako desnu ruku stavite na solenoid sa dlanom nadole, tako da vam se čini da struja izlazi iz vaših prstiju, tada će savijeni palac pokazivati na sjeverni pol solenoida. Iz ovog pravila slijedi da polaritet solenoida ovisi o smjeru struje u njemu. Lako je to provjeriti u praksi dovođenjem magnetne igle na jedan od polova solenoida, a zatim promjenom smjera struje u solenoidu. Strelica će se momentalno okrenuti za 180°, tj. pokazivat će da su se polovi solenoida promijenili.

Solenoid ima svojstvo da uvlači lake željezne predmete u sebe. Ako se čelična šipka stavi unutar solenoida, tada će se nakon nekog vremena, pod utjecajem magnetskog polja solenoida, šipka magnetizirati. Ova metoda se koristi u proizvodnji.

elektromagneti

To je zavojnica (solenoid) sa gvozdenim jezgrom smeštenim unutar njega. Oblici i veličine elektromagneta su različiti, ali je opšti raspored svih njih isti.

Zavojnica elektromagneta je okvir, najčešće od presovane ploče ili vlakna, i ima različite oblike ovisno o namjeni elektromagneta. Na okvir je u nekoliko slojeva namotana bakrena izolirana žica - namotaj elektromagneta. Ima različit broj zavoja i napravljen je od žice različitih promjera, ovisno o namjeni elektromagneta.

Za zaštitu izolacije namota od mehaničkih oštećenja, namotaj se prekriva jednim ili više slojeva papira ili nekog drugog izolacijskog materijala. Početak i kraj namotaja se izvode i spajaju na izlazne stezaljke montirane na okvir, ili na fleksibilne provodnike sa ušicama na krajevima.

Zavojnica elektromagneta se montira na jezgro od mekog, žarenog gvožđa ili legura gvožđa sa silicijumom, niklom itd. Takvo gvožđe ima najmanje ostataka. Jezgra su najčešće sastavljena od tankih limova izoliranih jedan od drugog. Oblik jezgri može biti različit, ovisno o namjeni elektromagneta.

Ako se električna struja prođe kroz namotaj elektromagneta, tada se oko namotaja formira magnetsko polje koje magnetizira jezgro. Pošto je jezgro napravljeno od mekog gvožđa, ono će se odmah magnetizirati. Ako se struja tada isključi, magnetna svojstva jezgra će također brzo nestati i ono će prestati biti magnet. Polovi elektromagneta, poput solenoida, određeni su pravilom desne ruke. Ako se promijeni namotaj elektromagneta, tada će se u skladu s tim promijeniti i polaritet elektromagneta.

Djelovanje elektromagneta slično je djelovanju trajnog magneta. Međutim, postoji velika razlika između njih. Trajni magnet uvijek ima magnetna svojstva, a elektromagnet samo kada električna struja prođe kroz njegov namotaj.

Osim toga, privlačna sila trajnog magneta je nepromijenjena, budući da je magnetski tok trajnog magneta nepromijenjen. Sila privlačenja elektromagneta nije konstantna vrijednost. Isti elektromagnet može imati različite privlačne sile. Sila privlačenja bilo kojeg magneta ovisi o veličini njegovog magnetskog fluksa.

Sila privlačenja, a time i njen magnetni tok, zavisi od veličine struje koja prolazi kroz namotaj ovog elektromagneta. Što je struja veća, to je veća sila privlačenja elektromagneta, i obrnuto, što je manja struja u namotu elektromagneta, to je manja sila koja privlači magnetska tijela na sebe.

Ali za elektromagnete različitog dizajna i veličine, sila njihove privlačnosti ne ovisi samo o veličini struje u namotu. Ako, na primjer, uzmemo dva elektromagneta istih uređaja i dimenzija, ali jedan s malim brojem zavoja namotaja, a drugi sa mnogo većim brojem, onda je lako vidjeti da je pri istoj struji privlačna sila ovo drugo će biti mnogo veće. Zaista, što je veći broj zavoja namotaja, to se veće pri datoj struji stvara magnetsko polje oko ovog namota, budući da se sastoji od magnetnih polja svakog zavoja. To znači da će magnetni tok elektromagneta, a samim tim i sila njegovog privlačenja, biti to veći, što je veći broj namotaja.

Postoji još jedan razlog koji utječe na veličinu magnetskog toka elektromagneta. Ovo je kvaliteta njegovog magnetnog kola. Magnetsko kolo je put duž kojeg se zatvara magnetni tok. Magnetsko kolo ima određenu magnetni otpor. Magnetni otpor ovisi o magnetskoj permeabilnosti medija kroz koji magnetni tok prolazi. Što je veća magnetna permeabilnost ovog medija, to je manji njegov magnetni otpor.

Od m magnetska permeabilnost feromagnetnih tijela (željezo, čelik) je višestruko veća od magnetne propusnosti zraka, pa je isplativije napraviti elektromagnete tako da njihov magnetni krug ne sadrži zračne dijelove. Umnožak struje i broja zavoja u namotu elektromagneta naziva se magnetomotorna sila. Magnetomotorna sila se mjeri brojem amperskih zavoja.

Na primjer, namotaj elektromagneta koji ima 1200 zavoja nosi struju od 50 mA. Magnetna pokretačka sila takav elektromagnet jednako 0,05 x 1200 = 60 ampera navoja.

Djelovanje magnetomotorne sile slično je djelovanju elektromotorne sile u električnom kolu. Baš kao što EMF uzrokuje električnu struju, magnetomotorna sila stvara magnetni tok u elektromagnetu. Kao što u električnom kolu, s povećanjem EMF-a, struja u cijeni raste, tako i u magnetnom kolu, s povećanjem magnetomotorne sile, raste magnetni fluks.

Akcija magnetni otpor slično djelovanju električnog otpora kola. Kako struja opada sa povećanjem otpora električnog kola, tako i u magnetnom kolu povećanje magnetnog otpora uzrokuje smanjenje magnetskog fluksa.

Ovisnost magnetnog fluksa elektromagneta o magnetomotornoj sili i njegovom magnetskom otporu može se izraziti formulom sličnom formuli Ohmovog zakona: magnetomotorna sila = (magnetski tok / magnetski otpor)

Magnetski fluks jednak je magnetomotornoj sili podijeljenoj s magnetskim otporom.

Broj zavoja namotaja i magnetski otpor za svaki elektromagnet je konstantna vrijednost. Stoga se magnetski tok datog elektromagneta mijenja samo s promjenom struje koja prolazi kroz namotaj. Budući da je sila privlačenja elektromagneta određena njegovim magnetskim tokom, da bi se povećala (ili smanjila) sila privlačenja elektromagneta, potrebno je u skladu s tim povećati (ili smanjiti) struju u njegovom namotu.

polarizovani elektromagnet

Polarizirani elektromagnet je kombinacija stalnog magneta i elektromagneta. Tako je uređena. Na polove trajnog magneta pričvršćeni su takozvani mekani gvozdeni nastavci polova. Svaki produžetak pola služi kao jezgro elektromagneta, na njega je montiran zavojnica s namotom. Oba namotaja su povezana serijski.

Pošto su nastavci polova direktno pričvršćeni za polove trajnog magneta, oni imaju magnetna svojstva čak i u odsustvu struje u namotajima; u isto vrijeme, njihova sila privlačenja je nepromijenjena i određena je magnetskim tokom trajnog magneta.

Djelovanje polariziranog elektromagneta leži u činjenici da kada struja prolazi kroz njegove namote, sila privlačenja njegovih polova se povećava ili smanjuje ovisno o veličini i smjeru struje u namotima. Na ovo svojstvo polariziranog elektromagneta, djelovanje drugih električnih uređaja.

Djelovanje magnetskog polja na provodnik sa strujom

Ako se provodnik postavi u magnetsko polje tako da se nalazi okomito na linije sile polja, a kroz ovaj provodnik prođe električna struja, tada će se provodnik početi kretati i bit će istisnut iz magnetskog polja. .

Kao rezultat interakcije magnetskog polja sa električnom strujom, provodnik se pokreće, odnosno električna energija se pretvara u mehaničku energiju.

Sila kojom se provodnik istiskuje iz magnetnog polja zavisi od veličine magnetnog toka magneta, jačine struje u vodiču i dužine onog dela vodiča koji se ukrštaju linije polja. Smjer ove sile, odnosno smjer kretanja provodnika, zavisi od smjera struje u provodniku i određen je pravilo leve ruke.

Ako dlan svoje lijeve ruke držite tako da uključuje linije magnetskog polja polja, a ispružena četiri prsta budu okrenuta prema smjeru struje u provodniku, tada će savijeni palac pokazivati smjer kretanja provodnika. Kada primjenjujemo ovo pravilo, moramo imati na umu da linije polja izlaze iz sjevernog pola magneta.

Elektromagnetski fenomeni

Elektromagnetne pojave odražavaju odnos električne struje i magnetnog polja. Svi njihovi fizički zakoni su dobro poznati i nećemo pokušavati da ih ispravimo; naš cilj je drugačiji: objasniti fizičku prirodu ovih pojava.

Jedno nam je već jasno: ni elektricitet ni magnetizam ne mogu postojati bez elektrona; i tu dolazi do izražaja elektromagnetizam. Takođe smo razgovarali o tome kalem sa strujom stvara magnetno polje. Zadržimo se na posljednjem fenomenu i preciziramo kako se on javlja.

Pogledat ćemo zavojnicu s kraja i pustiti da električna struja teče kroz njega u smjeru suprotnom od kazaljke na satu. Struja je tok elektrona koji klizi duž površine vodiča (samo na površini - otvorena usisna korita). Protok elektrona će povući susjedni eter zajedno sa sobom, a on će također početi da se kreće u smjeru suprotnom od kazaljke na satu. Brzina etera u blizini vodiča bit će određena brzinom elektrona u vodiču, a ona će zauzvrat ovisiti o razlici u tlaku etera (na električnom naponu na zavojnici) i o površini protoka dirigenta. Eter koji nosi struja će uticati na susjedne slojeve, a oni će se također kretati unutar i izvan zavojnice u krug. Brzina vrtložnog etra će biti raspoređena na sledeći način: njegova najveća vrednost je, naravno, u oblasti zavoja; kada se kreće prema centru, smanjuje se po linearnom zakonu, tako da će u samom centru biti nula; pri udaljavanju od zavoja prema periferiji, brzina će se također smanjiti, ali ne po linearnom, već po složenijem zakonu.

Eterski makrovorteks upleten strujom počeće da orijentiše elektrone na takav način da će se svi oni okretati dok osi rotacije ne budu paralelne sa osi zavojnice; dok će se unutar zavojnice rotirati u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, a izvan nje - u smjeru kazaljke na satu; u isto vrijeme, elektroni će težiti koaksijalnom rasporedu, odnosno skupljat će se u magnetne žice. Proces orijentacije elektrona će potrajati neko vrijeme, a po njegovom završetku pojavljuje se magnetni snop unutar zavojnice sa sjevernim polom prema nama, a izvan zavojnice, naprotiv, sjeverni pol će biti udaljen od nas. Time smo dokazali valjanost dobro poznatog pravila zavrtnja ili gimleta u elektrotehnici, koje uspostavlja vezu između smjera struje i smjera magnetskog polja koje ona stvara.

Magnetska sila (jačina) u svakoj tački magnetnog polja će biti određena promjenom brzine etera u ovoj tački, odnosno derivatom brzine u odnosu na udaljenost od zavoja zavojnice: Što je veća promjena brzine, to je veća napetost. Ako povežemo magnetsku silu zavojnice s njegovim električnim i geometrijskim parametrima, onda ona ima direktnu ovisnost o veličini struje i inverznu ovisnost o promjeru zavojnice. Što je veća struja i manji promjer, to je više mogućnosti za prikupljanje elektrona u užadima određenog smjera rotacije i veća je magnetna sila zavojnice. Već je spomenuta činjenica da se jačina magnetnog polja može pojačati ili oslabiti sredinom.

Proces pretvaranja istosmjerne struje u magnetizam nije reverzibilan: ako se magnet stavi u zavojnicu, tada u njemu ne nastaje struja. Energija makrovorteksa koji postoji oko magneta je toliko mala da ne može natjerati elektrone da se kreću duž zavoja uz najmanji otpor za njih. Podsjetimo još jednom da je u obrnutom procesu eterski makrovorteks, djelujući kao posrednik, samo orijentirao elektrone i ništa više, odnosno kontrolirao je samo magnetsko polje, a jačinu polja određivao je broj jednosmjernih magnetnih kablovi.

Kada struja prolazi kroz pravi provodnik, oko njega nastaje magnetno polje (slika 26). Magnetske linije sile ovog polja raspoređene su duž koncentričnih krugova, u čijem se središtu nalazi provodnik sa strujom.

H
Smjer linija magnetskog polja može se odrediti pravilom gimleta. Ako je translatorno kretanje gimleta (Sl. 27) poklapa se sa smjerom struje u vodiču, tada će rotacija njegove ručke ukazati na smjer linija magnetskog polja oko vodiča.Što je veća struja koja prolazi kroz provodnik, to je jače magnetsko polje koje nastaje oko njega. Kada se promijeni smjer struje, magnetno polje također mijenja svoj smjer.

Kako se udaljavate od provodnika, magnetske linije sile su manje učestale.

Načini pojačanja magnetnih polja. Da bi se dobila jaka magnetna polja pri malim strujama, broj provodnika koji nose struju se obično povećava i izvodi u obliku niza zavoja; takav uređaj se naziva zavojnica.

Kod provodnika savijenog u obliku zavojnice (slika 28, a), magnetna polja formirana od svih sekcija ovog provodnika imat će isti smjer unutar zavojnice. Zbog toga će intenzitet magnetnog polja unutar zavojnice biti veći nego oko pravolinijskog provodnika. Kada se spajanje pretvara u zavojnicu, magnetska polja, s
stvorene pojedinačnim zavojima, zbrajaju (slika 28, b) i njihove linije sile su povezane u zajednički magnetni tok. U tom slučaju se povećava koncentracija linija polja unutar zavojnice, odnosno povećava se magnetsko polje unutar zavojnice. Što više struje prolazi kroz zavojnicu i što ima više zavoja, to je jače magnetsko polje koje stvara zavojnica.

Zavojnica kojom kruži struja je umjetni električni magnet. Da bi se pojačalo magnetsko polje, čelično jezgro je umetnuto unutar zavojnice; takav uređaj se zove elektromagnet.

O

da biste ograničili smjer magnetskog polja koje stvara zavojnica ili zavojnica, možete koristiti i desnu ruku (Sl. 29) i glet (Sl. 30).

18. Magnetna svojstva raznih supstanci.

Sve tvari, ovisno o magnetskim svojstvima, dijele se u tri grupe: feromagnetne, paramagnetne i dijamagnetne.

Feromagnetni materijali uključuju željezo, kobalt, nikal i njihove legure. Imaju visoku magnetnu permeabilnost µ i dobro privlače magneti i elektromagneti.

Paramagnetni materijali uključuju aluminijum, kalaj, hrom, mangan, platinu, volfram, rastvore soli gvožđa, itd. Paramagnetne materijale privlače magneti i elektromagneti mnogo puta slabiji od feromagnetnih materijala.

Dijamagnetne materijale magneti ne privlače, već se, naprotiv, odbijaju. To uključuje bakar, srebro, zlato, olovo, cink, smolu, vodu, većinu gasova, vazduh itd.

Magnetna svojstva feromagnetnih materijala. Feromagnetni materijali zbog svoje sposobnosti magnetizacije imaju široku primjenu u proizvodnji električnih strojeva, uređaja u drugim električnim instalacijama.

Kriva magnetizacije. Proces magnetizacije feromagnetnog materijala može se prikazati kao krivulja magnetizacije (slika 31), koja je zavisnost indukcije AT od napetosti H magnetno polje (od struje magnetiziranja I ).

Krivulja magnetizacije može se podijeliti u tri dijela: Oh-ah , na kojem se magnetska indukcija povećava gotovo proporcionalno struji magnetiziranja; a-b , na kojoj se usporava rast magnetne indukcije, a područje magnetskog zasićenja izvan tačke b , gdje zavisnost AT od H ponovo postaje pravolinijski, ali je karakteriziran polaganim porastom magnetske indukcije s povećanjem jačine polja.

P
remagnetizacija feromagnetnih materijala, histerezna petlja. Od velikog praktičnog značaja, posebno u električnim mašinama i instalacijama naizmenične struje, je proces preokretanja magnetizacije feromagnetnih materijala. Na sl. 32 prikazuje grafik promjene indukcije tokom magnetizacije i demagnetizacije feromagnetnog materijala (sa promjenom struje magnetiziranja I . Kao što se može vidjeti iz ovog grafikona, za iste vrijednosti jačine magnetnog polja, magnetska indukcija dobijena demagnetizacijom feromagnetnog tijela (presjek a B C ), biće više indukcije dobijene tokom magnetizacije (preseci Oh-ah i Da ). Kada se struja magnetiziranja dovede na nulu, indukcija u feromagnetnom materijalu neće se smanjiti na nulu, ali će zadržati određenu vrijednost AT r koji odgovaraju segmentu O . Ova vrijednost se zove zaostala indukcija.

Fenomen zaostajanja ili kašnjenja promjena magnetne indukcije od odgovarajućih promjena jačine magnetnog polja naziva se magnetska histereza, a očuvanje magnetnog polja u feromagnetnom materijalu nakon što struja magnetiziranja prestane teći naziva se magnetska histereza . rezidualni magnetizam.

P
Promjenom smjera struje magnetiziranja moguće je potpuno demagnetizirati feromagnetno tijelo i dovesti magnetnu indukciju u njemu na nulu. Obrnuta napetost H With , pri kojem se indukcija u feromagnetnom materijalu smanjuje na nulu, naziva se prisilna sila. krivulja Oh-ah , dobijena pod uslovom da je feromagnetna supstanca prethodno demagnetizovana, naziva se početna kriva magnetizacije. Kriva indukcije se naziva histerezna petlja.

Utjecaj feromagnetnih materijala na raspodjelu magnetskog polja. Ako se tijelo od feromagnetnog materijala stavi u magnetsko polje, tada će magnetne linije sile ući i izaći iz njega pod pravim uglom. U samom tijelu i oko njega dolazi do kondenzacije linija polja, odnosno povećava se indukcija magnetskog polja unutar tijela i u njegovoj blizini. Ako je feromagnetno tijelo napravljeno u obliku prstena, tada magnetne linije sile praktično neće prodrijeti u njegovu unutrašnju šupljinu (slika 33) i prsten će služiti kao magnetni ekran koji štiti unutrašnju šupljinu od utjecaja magnetsko polje. Na ovoj osobini feromagnetnih materijala zasniva se djelovanje različitih ekrana koji štite električne mjerne instrumente, električne kablove i druge električne uređaje od štetnog djelovanja vanjskih magnetnih polja.

Izračunajmo polje koje stvara struja koja teče kroz tanku ravnu žicu beskonačne dužine.

Indukcija magnetnog polja u proizvoljnoj tački ALI(Sl. 6.12) koju stvara element provodnika d l , biće jednako

Rice. 6.12. Magnetno polje pravog provodnika

Polja iz različitih elemenata imaju isti smjer (tangencijalno na krug polumjera R koja leži u ravni ortogonalnoj na provodnik). Dakle, možemo dodati (integrirati) apsolutne vrijednosti

Express r i sin kroz integracijsku varijablu l

Tada se (6.7) prepisuje u formu

Na ovaj način,

Obrazac linija sila magnetskog polja beskonačno dugog pravolinijskog provodnika sa strujom prikazan je na sl. 6.13.

Rice. 6.13. Magnetne linije sile polja pravolinijskog provodnika sa strujom:
1 - pogled sa strane; 2, 3 - presjek provodnika ravninom okomitom na provodnik

Rice. 6.14. Oznake smjera struje u vodiču

Za označavanje smjera struje u provodniku okomitom na ravan slike, koristit ćemo sljedeću notaciju (slika 6.14):

Prisjetite se izraza za jakost električnog polja tankog filamenta nabijenog linearnom gustinom naboja

Sličnost izraza je očigledna: imamo istu zavisnost od udaljenosti do filamenta (struja), linearna gustina naelektrisanja je zamenjena jačinom struje. Ali pravci polja su različiti. Za filament, električno polje je usmjereno duž polumjera. Linije sile magnetskog polja beskonačnog pravolinijskog provodnika sa strujom formiraju sistem koncentričnih krugova koji pokrivaju provodnik. Smjerovi linija sile čine desnoruki sistem sa smjerom struje.

Na sl. 6.15 predstavlja iskustvo proučavanja distribucije linija magnetnog polja oko pravolinijskog provodnika sa strujom. Debeli bakarni provodnik se provlači kroz rupe u prozirnoj ploči, na koju se izlivaju željezne strugotine. Nakon uključivanja istosmjerne struje snage 25 A i tapkanja po ploči, piljevina formira lance koji ponavljaju oblik linija magnetnog polja.

Oko ravne žice okomito na ploču, uočavaju se prstenaste linije sile, koje se nalaze najgušće u blizini žice. Kako se udaljavate od njega, polje se smanjuje.

Rice. 6.15. Vizualizacija linija magnetnog polja oko pravog provodnika

Na sl. 6.16 predstavlja eksperimente za proučavanje distribucije linija magnetnog polja oko žica koje prelaze kartonsku ploču. Gvozdena strugotina posuta po ploči nižu se duž linija magnetnog polja.