Magnetfeldlinien eines stromdurchflossenen Leiters. Magnetfeld eines geraden Leiters. Magnetlinien (Grebenyuk Yu.V.). Magnetfeld des Kreisstroms

Themen des USE-Kodifikators: Wechselwirkung von Magneten, Magnetfeld eines Leiters mit Strom.

Die magnetischen Eigenschaften von Materie sind den Menschen seit langem bekannt. Magnete haben ihren Namen von der antiken Stadt Magnesia: In ihrer Umgebung war ein Mineral (später magnetisches Eisenerz oder Magnetit genannt) weit verbreitet, dessen Stücke Eisengegenstände anzogen.

Wechselwirkung von Magneten

Auf zwei Seiten befinden sich jeweils Magnete Nordpol und Südpol. Zwei Magnete werden von entgegengesetzten Polen angezogen und von gleichen Polen abgestoßen. Magnete können sogar durch ein Vakuum aufeinander einwirken! All dies erinnert jedoch an die Wechselwirkung elektrischer Ladungen Die Wechselwirkung von Magneten ist nicht elektrisch. Dies wird durch die folgenden experimentellen Tatsachen belegt.

Die Magnetkraft wird schwächer, wenn der Magnet erhitzt wird. Die Stärke der Wechselwirkung von Punktladungen hängt nicht von ihrer Temperatur ab.

Durch Schütteln des Magneten wird die Magnetkraft geschwächt. Nichts dergleichen passiert mit elektrisch geladenen Körpern.

Positive elektrische Ladungen können von negativen getrennt werden (z. B. wenn Körper elektrifiziert werden). Aber es ist unmöglich, die Pole des Magneten zu trennen: Schneidet man den Magneten in zwei Teile, dann erscheinen auch Pole an der Schnittstelle, und der Magnet zerbricht in zwei Magnete mit entgegengesetzten Polen an den Enden (genau ausgerichtet genauso wie die Pole des Originalmagneten).

Also die Magnete stets bipolar, sie existieren nur in der Form Dipole. Isolierte Magnetpole (sog magnetische Monopole- Analoga der elektrischen Ladung) in der Natur nicht existieren (auf jeden Fall wurden sie noch nicht experimentell nachgewiesen). Dies ist vielleicht die beeindruckendste Asymmetrie zwischen Elektrizität und Magnetismus.

Wie elektrisch geladene Körper wirken Magnete auf elektrische Ladungen. Der Magnet wirkt jedoch nur auf ziehen um aufladen; Befindet sich die Ladung relativ zum Magneten in Ruhe, so wirkt keine magnetische Kraft auf die Ladung. Im Gegensatz dazu wirkt ein elektrifizierter Körper auf jede Ladung, unabhängig davon, ob er ruht oder sich bewegt.

Nach modernen Konzepten der Theorie der Nahwirkung wird die Wechselwirkung von Magneten durchgeführt Magnetfeld Ein Magnet erzeugt nämlich im umgebenden Raum ein Magnetfeld, das auf einen anderen Magneten wirkt und eine sichtbare Anziehung oder Abstoßung dieser Magnete bewirkt.

Ein Beispiel für einen Magneten ist magnetische Nadel Kompass. Mit Hilfe einer Magnetnadel kann man das Vorhandensein eines Magnetfelds in einem bestimmten Raumbereich sowie die Richtung des Felds beurteilen.

Unser Planet Erde ist ein riesiger Magnet. Nicht weit entfernt vom geografischen Nordpol der Erde befindet sich der magnetische Südpol. Daher zeigt das nördliche Ende der Kompassnadel, das sich zum magnetischen Südpol der Erde dreht, in den geografischen Norden. Daher entstand tatsächlich der Name "Nordpol" des Magneten.

Magnetfeldlinien

Das elektrische Feld wird, wie wir uns erinnern, mit Hilfe kleiner Testladungen untersucht, anhand derer man die Größe und Richtung des Feldes beurteilen kann. Ein Analogon einer Testladung im Falle eines Magnetfelds ist eine kleine Magnetnadel.

Man kann sich zum Beispiel eine geometrische Vorstellung vom Magnetfeld machen, indem man sehr kleine Kompassnadeln an verschiedenen Stellen im Raum platziert. Die Erfahrung zeigt, dass sich die Pfeile entlang bestimmter Linien ausrichten - den sogenannten Magnetfeldlinien. Lassen Sie uns dieses Konzept in Form der folgenden drei Absätze definieren.

1. Magnetfeldlinien oder magnetische Kraftlinien sind gerichtete Linien im Raum, die folgende Eigenschaft haben: Eine kleine Kompassnadel, die an jedem Punkt einer solchen Linie platziert wird, ist tangential zu dieser Linie ausgerichtet.

2. Die Richtung der Magnetfeldlinie ist die Richtung der nördlichen Enden der Kompassnadeln, die sich an den Punkten dieser Linie befinden.

3. Je dicker die Linien werden, desto stärker ist das Magnetfeld in einem bestimmten Raumbereich..

Die Rolle von Kompassnadeln können erfolgreich Eisenspäne übernehmen: In einem Magnetfeld werden kleine Späne magnetisiert und verhalten sich genau wie Magnetnadeln.

Nachdem wir Eisenspäne um einen Permanentmagneten gegossen haben, sehen wir ungefähr das folgende Bild von Magnetfeldlinien (Abb. 1).

Reis. 1. Permanentmagnetfeld

Der Nordpol des Magneten ist blau und der Buchstabe ; der Südpol - in Rot und der Buchstabe . Beachten Sie, dass die Feldlinien am Nordpol des Magneten austreten und in den Südpol eintreten, da das nördliche Ende der Kompassnadel auf den Südpol des Magneten zeigt.

Örsteds Erfahrung

Obwohl elektrische und magnetische Phänomene den Menschen seit der Antike bekannt sind, wurde lange Zeit kein Zusammenhang zwischen ihnen beobachtet. Die Erforschung von Elektrizität und Magnetismus verlief mehrere Jahrhunderte parallel und unabhängig voneinander.

Die bemerkenswerte Tatsache, dass elektrische und magnetische Phänomene tatsächlich miteinander zusammenhängen, wurde erstmals 1820 in dem berühmten Experiment von Oersted entdeckt.

Das Schema von Oersteds Experiment ist in Abb. 1 dargestellt. 2 (Bild von rt.mipt.ru). Oberhalb der Magnetnadel ( und - der Nord- und Südpol des Pfeils) befindet sich ein Metallleiter, der mit einer Stromquelle verbunden ist. Wenn Sie den Stromkreis schließen, dreht sich der Pfeil senkrecht zum Leiter!
Dieses einfache Experiment wies direkt auf die Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus hin. Die Experimente, die auf Oersteds Erfahrung folgten, etablierten fest das folgende Muster: Das Magnetfeld wird durch elektrische Ströme erzeugt und wirkt auf Ströme.

Reis. 2. Oersteds Experiment

Das Bild der Magnetfeldlinien, die von einem Leiter mit Strom erzeugt werden, hängt von der Form des Leiters ab.

Magnetfeld eines geraden Drahtes mit Strom

Die magnetischen Feldlinien eines geraden, stromdurchflossenen Drahtes sind konzentrische Kreise. Die Mittelpunkte dieser Kreise liegen auf dem Draht, und ihre Ebenen stehen senkrecht auf dem Draht (Abb. 3).

Reis. 3. Feld eines direkten Drahtes mit Strom

Es gibt zwei alternative Regeln zur Bestimmung der Richtung von Gleichstrom-Magnetfeldlinien.

Stundenzeiger Regel. Die Feldlinien verlaufen bei Betrachtung entgegen dem Uhrzeigersinn, sodass der Strom auf uns zufließt..

Schraube Regel(oder Gimlet-Regel, oder Korkenzieher-Regel- es ist jemandem näher ;-)). Die Feldlinien verlaufen dort, wo die Schraube (mit herkömmlichem Rechtsgewinde) gedreht werden muss, um sich entlang des Gewindes in Stromrichtung zu bewegen.

Verwenden Sie die Regel, die Ihnen am besten passt. Gewöhnen Sie sich besser an die Regel im Uhrzeigersinn – Sie werden später selbst feststellen, dass sie universeller und einfacher zu handhaben ist (und sich dann in Ihrem ersten Jahr, wenn Sie analytische Geometrie studieren, dankbar daran erinnern).

Auf Abb. 3 ist auch etwas Neues aufgetaucht: Dies ist ein Vektor, der aufgerufen wird Magnetfeld Induktion, oder magnetische Induktion. Der magnetische Induktionsvektor ist ein Analogon des elektrischen Feldstärkevektors: er dient Leistungscharakteristik Magnetfeld, bestimmt die Kraft, mit der das Magnetfeld auf bewegte Ladungen wirkt.

Wir werden später über Kräfte in einem Magnetfeld sprechen, aber jetzt bemerken wir nur, dass die Größe und Richtung des Magnetfelds durch den magnetischen Induktionsvektor bestimmt wird. An jedem Punkt im Raum ist der Vektor in dieselbe Richtung gerichtet wie das Nordende der an diesem Punkt platzierten Kompassnadel, nämlich tangential zur Feldlinie in Richtung dieser Linie. Die magnetische Induktion wird in gemessen teslach(TL).

Wie bei einem elektrischen Feld gilt für die Induktion eines magnetischen Feldes, Prinzip der Superposition. Darin liegt es Induktion von Magnetfeldern, die an einem bestimmten Punkt durch verschiedene Ströme erzeugt werden, werden vektoriell addiert und ergeben den resultierenden Vektor der magnetischen Induktion:.

Das Magnetfeld einer Spule mit Strom

Stellen Sie sich eine kreisförmige Spule vor, durch die ein Gleichstrom fließt. Wir zeigen nicht die Quelle, die den Strom in der Figur erzeugt.

Das Bild der Linien des Feldes, in dem wir an der Reihe sind, hat ungefähr die folgende Form (Abb. 4).

Reis. 4. Feld der Spule mit Strom

Für uns wird es wichtig sein, bestimmen zu können, in welchen Halbraum (bezogen auf die Spulenebene) das Magnetfeld gerichtet ist. Wieder haben wir zwei alternative Regeln.

Stundenzeiger Regel. Die Feldlinien gehen dorthin und schauen von dort aus, wo der Strom gegen den Uhrzeigersinn zu zirkulieren scheint.

Schraube Regel. Die Feldlinien verlaufen dorthin, wo sich die Schraube (mit herkömmlichem Rechtsgewinde) bewegen würde, wenn sie in Stromrichtung gedreht würde.

Wie man sieht, sind die Rollen von Strom und Feld vertauscht - im Vergleich zu den Formulierungen dieser Regeln für den Fall von Gleichstrom.

Das Magnetfeld einer Spule mit Strom

Spule Es wird sich herausstellen, wenn es eng ist, Spule an Spule, um den Draht zu einer ausreichend langen Spirale zu wickeln (Abb. 5 - Bild von der Website en.wikipedia.org). Die Spule kann mehrere zehn, hundert oder sogar tausend Windungen haben. Die Spule wird auch genannt Solenoid.

Reis. 5. Spule (Magnet)

Das Magnetfeld einer Windung sieht bekanntlich nicht sehr einfach aus. Felder? einzelne Windungen der Spule überlagern sich, und es scheint, dass das Ergebnis ein sehr verwirrendes Bild sein sollte. Dies ist jedoch nicht der Fall: Das Feld einer langen Spule hat eine unerwartet einfache Struktur (Abb. 6).

Reis. 6. Spulenfeld mit Strom

In dieser Abbildung fließt der Strom in der Spule von links gesehen gegen den Uhrzeigersinn (dies geschieht, wenn in Abb. 5 das rechte Ende der Spule mit dem „Plus“ der Stromquelle verbunden ist und das linke Ende mit das „Minus“). Wir sehen, dass das Magnetfeld der Spule zwei charakteristische Eigenschaften hat.

1. Im Inneren der Spule, weg von ihren Rändern, befindet sich das Magnetfeld homogen: An jedem Punkt ist der magnetische Induktionsvektor in Größe und Richtung gleich. Die Feldlinien sind parallele Geraden; Sie biegen sich nur in der Nähe der Ränder der Spule, wenn sie ausgehen.

2. Außerhalb der Spule ist das Feld nahe Null. Je mehr Windungen in der Spule sind, desto schwächer ist das Feld außerhalb.

Beachten Sie, dass eine unendlich lange Spule überhaupt kein Feld aussendet: Außerhalb der Spule gibt es kein Magnetfeld. Innerhalb einer solchen Spule ist das Feld überall gleichförmig.

Erinnert es dich an nichts? Eine Spule ist das "magnetische" Gegenstück eines Kondensators. Sie erinnern sich, dass der Kondensator in sich selbst ein gleichmäßiges elektrisches Feld erzeugt, dessen Linien nur in der Nähe der Plattenkanten gekrümmt sind, und außerhalb des Kondensators ist das Feld nahe Null; Ein Kondensator mit unendlichen Platten gibt das Feld überhaupt nicht ab, und das Feld ist überall in ihm gleichmäßig.

Und jetzt - die Hauptbeobachtung. Vergleichen Sie bitte das Bild der magnetischen Feldlinien außerhalb der Spule (Abb. 6) mit den Feldlinien des Magneten in Abb. eines . Es ist dasselbe, nicht wahr? Und jetzt kommen wir zu einer Frage, die Sie wahrscheinlich schon vor langer Zeit hatten: Wenn ein Magnetfeld durch Ströme erzeugt wird und auf Ströme wirkt, was ist dann der Grund für das Auftreten eines Magnetfelds in der Nähe eines Permanentmagneten? Schließlich scheint dieser Magnet kein Stromleiter zu sein!

Ampères Hypothese. Elementare Strömungen

Zunächst wurde angenommen, dass die Wechselwirkung von Magneten auf speziellen magnetischen Ladungen beruht, die sich an den Polen konzentrieren. Aber im Gegensatz zur Elektrizität konnte niemand die magnetische Ladung isolieren; schließlich war es, wie bereits gesagt, nicht möglich, den Nord- und den Südpol des Magneten getrennt zu erhalten - die Pole sind im Magneten immer paarweise vorhanden.

Zweifel an magnetischen Ladungen wurden durch die Erfahrung von Oersted verstärkt, als sich herausstellte, dass das Magnetfeld durch elektrischen Strom erzeugt wird. Außerdem hat sich herausgestellt, dass es für jeden Magneten möglich ist, einen Leiter mit einem Strom geeigneter Konfiguration zu wählen, so dass das Feld dieses Leiters mit dem Feld des Magneten zusammenfällt.

Ampere stellte eine kühne Hypothese auf. Es gibt keine magnetischen Ladungen. Die Wirkung eines Magneten wird durch geschlossene elektrische Ströme in seinem Inneren erklärt..

Was sind das für Strömungen? Diese elementare Strömungen zirkulieren innerhalb von Atomen und Molekülen; Sie sind mit der Bewegung von Elektronen in Atombahnen verbunden. Das Magnetfeld eines jeden Körpers setzt sich aus den Magnetfeldern dieser Elementarströme zusammen.

Elementarströme können beliebig zueinander angeordnet sein. Dann löschen sich ihre Felder gegenseitig aus und der Körper zeigt keine magnetischen Eigenschaften.

Aber wenn Elementarströme aufeinander abgestimmt sind, dann verstärken sich ihre Felder gegenseitig. Der Körper wird zum Magneten (Abb. 7; das Magnetfeld wird auf uns gerichtet; der Nordpol des Magneten wird ebenfalls auf uns gerichtet).

Reis. 7. Elementare Magnetströme

Die Hypothese von Ampere über Elementarströme verdeutlichte die Eigenschaften von Magneten: Durch Erhitzen und Schütteln eines Magneten wird die Anordnung seiner Elementarströme zerstört, und die magnetischen Eigenschaften werden schwächer. Die Untrennbarkeit der Magnetpole wurde offensichtlich: An der Stelle, an der der Magnet geschnitten wurde, erhalten wir an den Enden die gleichen Elementarströme. Die Magnetisierbarkeit eines Körpers in einem Magnetfeld erklärt sich aus der koordinierten Ausrichtung von Elementarströmen, die sich richtig „drehen“ (lesen Sie über die Drehung eines Kreisstroms in einem Magnetfeld im nächsten Blatt).

Amperes Hypothese erwies sich als richtig – das zeigte die Weiterentwicklung der Physik. Das Konzept der Elementarströme ist zu einem festen Bestandteil der Atomtheorie geworden, die bereits im zwanzigsten Jahrhundert entwickelt wurde – fast hundert Jahre nach Ampères brillanter Vermutung.

Magnetfeld des elektrischen Stroms

Ein Magnetfeld entsteht nicht nur durch natürliche oder künstliche, sondern auch durch einen Leiter, wenn ein elektrischer Strom durch ihn fließt. Daher besteht ein Zusammenhang zwischen magnetischen und elektrischen Phänomenen.

Es ist nicht schwer sicherzustellen, dass sich um den Leiter, durch den der Strom fließt, ein Magnetfeld bildet. Legen Sie über der beweglichen Magnetnadel einen geraden Leiter parallel dazu und leiten Sie einen elektrischen Strom durch ihn. Der Pfeil nimmt eine Position senkrecht zum Leiter ein.

Welche Kräfte könnten die Magnetnadel zum Drehen bringen? Offensichtlich die Stärke des Magnetfeldes, das um den Leiter herum entstanden ist. Schalten Sie den Strom ab und die Magnetnadel kehrt in ihre normale Position zurück. Dies deutet darauf hin, dass bei abgeschaltetem Strom auch das Magnetfeld des Leiters verschwand.

Somit erzeugt der durch den Leiter fließende elektrische Strom ein Magnetfeld. Um herauszufinden, in welche Richtung die Magnetnadel abweicht, wenden Sie die Rechte-Hand-Regel an. Wenn die rechte Hand mit der Handfläche nach unten über den Leiter gelegt wird, so dass die Richtung des Stroms mit der Richtung der Finger übereinstimmt, zeigt der gebogene Daumen die Richtung der Abweichung des Nordpols der unter dem Leiter platzierten Magnetnadel . Wenn Sie diese Regel verwenden und die Polarität des Pfeils kennen, können Sie auch die Richtung des Stroms im Leiter bestimmen.

Magnetfeld eines geraden Leiters hat die Form von konzentrischen Kreisen. Legt man die rechte Hand mit der Handfläche nach unten über den Leiter, so dass der Strom aus den Fingern zu kommen scheint, zeigt der gebogene Daumen auf den Nordpol der Magnetnadel.Ein solches Feld wird kreisförmiges Magnetfeld genannt.

Die Richtung der Kraftlinien eines kreisförmigen Feldes hängt im Leiter ab und wird durch die sog. bestimmt "Gimlet"-Regel. Wenn der Gimlet gedanklich in Stromrichtung geschraubt wird, stimmt die Drehrichtung seines Griffs mit der Richtung der Magnetfeldkraftlinien überein. Wenn Sie diese Regel anwenden, können Sie die Richtung des Stroms im Leiter herausfinden, wenn Sie die Richtung der Feldlinien des durch diesen Strom erzeugten Felds kennen.

Zurückkommend auf das Experiment mit der Magnetnadel, kann man sich davon überzeugen, dass sie sich mit ihrem nördlichen Ende immer in Richtung der magnetischen Feldlinien befindet.

So, Ein gerader Leiter, der von elektrischem Strom durchflossen wird, erzeugt um sich herum ein Magnetfeld. Es hat die Form konzentrischer Kreise und wird kreisförmiges Magnetfeld genannt.

Essiggurken e) Magnetfeld des Solenoids

Um jeden Leiter entsteht ein Magnetfeld, unabhängig von seiner Form, vorausgesetzt, dass ein elektrischer Strom durch den Leiter fließt.

In der Elektrotechnik haben wir es mit Windungen zu tun, die aus mehreren Windungen bestehen. Um das Magnetfeld der uns interessierenden Spule zu untersuchen, betrachten wir zunächst, welche Form das Magnetfeld einer Windung hat.

Stellen Sie sich eine Spule aus dickem Draht vor, die ein Blatt Pappe durchdringt und mit einer Stromquelle verbunden ist. Wenn ein elektrischer Strom durch eine Spule fließt, bildet sich um jeden einzelnen Teil der Spule ein ringförmiges Magnetfeld. Nach der „Gimlet“-Regel lässt sich leicht feststellen, dass die magnetischen Kraftlinien innerhalb der Spule die gleiche Richtung haben (auf uns zu oder von uns weg, je nach Richtung des Stroms in der Spule) und von einer ausgehen Seite der Spule und geben Sie die andere Seite ein. Eine Reihe solcher Spulen, die die Form einer Spirale haben, ist die sogenannte Solenoid (Spule).

Um das Solenoid herum wird, wenn ein Strom durch es fließt, ein Magnetfeld gebildet. Es wird durch Addition der Magnetfelder jeder Spule erhalten und ähnelt in seiner Form dem Magnetfeld eines geradlinigen Magneten. Die Kraftlinien des Magnetfelds des Solenoids treten ebenso wie bei einem geradlinigen Magneten an einem Ende des Solenoids aus und kehren zum anderen zurück. Innerhalb des Solenoids haben sie die gleiche Richtung. Somit haben die Enden des Solenoids Polarität. Das Ende, aus dem die Kraftlinien herauskommen, ist Nordpol Solenoid, und das Ende, in das die Kraftlinien eintreten, ist sein Südpol.

Magnetpole bestimmt werden kann durch Regel der rechten Hand, aber dazu müssen Sie die Richtung des Stroms in seinen Windungen kennen. Wenn Sie Ihre rechte Hand mit der Handfläche nach unten auf die Magnetspule legen, so dass der Strom aus Ihren Fingern zu kommen scheint, zeigt der gebogene Daumen zum Nordpol der Magnetspule. Aus dieser Regel folgt, dass die Polarität des Solenoids von der Richtung des Stroms darin abhängt. In der Praxis lässt sich dies leicht überprüfen, indem man eine Magnetnadel an einen der Pole des Elektromagneten bringt und dann die Stromrichtung im Elektromagneten ändert. Der Pfeil dreht sich sofort um 180°, d. h. er zeigt an, dass sich die Pole des Solenoids geändert haben.

Der Elektromagnet hat die Eigenschaft, leichte Eisengegenstände in sich hineinzuziehen. Wenn eine Stahlstange in den Elektromagneten eingelegt wird, wird der Stab nach einiger Zeit unter dem Einfluss des Magnetfelds des Elektromagneten magnetisiert. Dieses Verfahren wird bei der Herstellung verwendet.

Elektromagnete

Es ist eine Spule (Solenoid) mit einem darin platzierten Eisenkern. Die Formen und Größen von Elektromagneten sind unterschiedlich, aber die allgemeine Anordnung ist bei allen gleich.

Eine Elektromagnetspule ist ein Rahmen, der meistens aus Pressspan oder Faser besteht und je nach Zweck des Elektromagneten verschiedene Formen hat. Ein kupferisolierter Draht wird in mehreren Lagen auf den Rahmen gewickelt - die Wicklung eines Elektromagneten. Es hat eine unterschiedliche Anzahl von Windungen und besteht aus Draht mit unterschiedlichen Durchmessern, je nach Verwendungszweck des Elektromagneten.

Um die Wicklungsisolation vor mechanischer Beschädigung zu schützen, wird die Wicklung mit einer oder mehreren Lagen Papier oder einem anderen Isoliermaterial abgedeckt. Anfang und Ende der Wicklung werden herausgeführt und mit den am Rahmen montierten Ausgangsklemmen oder mit flexiblen Leitern mit Kabelschuhen an den Enden verbunden.

Die Elektromagnetspule ist auf einem Kern aus weichem, geglühtem Eisen oder Eisenlegierungen mit Silizium, Nickel usw. montiert. Solches Eisen hat die geringsten Rückstände. Kerne werden meistens aus dünnen Blechen zusammengesetzt, die voneinander isoliert sind. Die Form der Kerne kann je nach Verwendungszweck des Elektromagneten unterschiedlich sein.

Wird durch die Wicklung eines Elektromagneten ein elektrischer Strom geleitet, entsteht um die Wicklung herum ein Magnetfeld, das den Kern magnetisiert. Da der Kern aus Weicheisen besteht, wird er sofort magnetisiert. Wenn der Strom dann abgeschaltet wird, verschwinden auch die magnetischen Eigenschaften des Kerns schnell und er hört auf, ein Magnet zu sein. Die Pole eines Elektromagneten werden wie bei einem Solenoid durch die Rechte-Hand-Regel bestimmt. Wenn die Wicklung des Elektromagneten geändert wird, ändert sich die Polarität des Elektromagneten entsprechend.

Die Wirkungsweise eines Elektromagneten ähnelt der eines Permanentmagneten. Es gibt jedoch einen großen Unterschied zwischen ihnen. Ein Permanentmagnet hat immer magnetische Eigenschaften und ein Elektromagnet nur dann, wenn ein elektrischer Strom durch seine Wicklung fließt.

Außerdem bleibt die Anziehungskraft eines Permanentmagneten unverändert, da der magnetische Fluss eines Permanentmagneten unverändert ist. Die Anziehungskraft eines Elektromagneten ist kein konstanter Wert. Derselbe Elektromagnet kann unterschiedliche Anziehungskräfte haben. Die Anziehungskraft eines Magneten hängt von der Größe seines magnetischen Flusses ab.

Die Anziehungskraft und damit sein magnetischer Fluss hängt von der Größe des Stroms ab, der durch die Wicklung dieses Elektromagneten fließt. Je größer der Strom ist, desto größer ist die Anziehungskraft des Elektromagneten, und umgekehrt, je kleiner der Strom in der Wicklung des Elektromagneten ist, desto weniger Kraft zieht er magnetische Körper an sich.

Bei Elektromagneten unterschiedlicher Bauart und Größe hängt die Anziehungskraft jedoch nicht nur von der Größe des Stroms in der Wicklung ab. Nimmt man zum Beispiel zwei Elektromagnete gleicher Bauart und Abmessungen, aber einen mit einer kleinen Windungszahl, den anderen mit einer viel größeren Zahl, dann sieht man leicht, dass bei gleichem Strom die Anziehungskraft abnimmt Letzteres wird viel größer sein. Je größer die Anzahl der Windungen der Wicklung ist, desto stärker wird bei einem bestimmten Strom ein Magnetfeld um diese Wicklung herum erzeugt, da es sich aus den Magnetfeldern jeder Windung zusammensetzt. Das bedeutet, dass der magnetische Fluss des Elektromagneten und damit seine Anziehungskraft umso größer ist, je größer die Windungszahl der Wicklung ist.

Es gibt noch einen weiteren Grund, der die Größe des magnetischen Flusses eines Elektromagneten beeinflusst. Das ist die Qualität seines Magnetkreises. Ein magnetischer Kreis ist ein Pfad, entlang dem sich ein magnetischer Fluss schließt. Der Magnetkreis hat eine gewisse magnetischer Widerstand. Der magnetische Widerstand hängt von der magnetischen Permeabilität des Mediums ab, durch das der magnetische Fluss fließt. Je größer die magnetische Permeabilität dieses Mediums ist, desto geringer ist sein magnetischer Widerstand.

Seit M Die magnetische Permeabilität von ferromagnetischen Körpern (Eisen, Stahl) ist um ein Vielfaches größer als die magnetische Permeabilität von Luft, daher ist es rentabler, Elektromagnete so herzustellen, dass ihr Magnetkreis keine Luftabschnitte enthält. Das Produkt aus dem Strom und der Anzahl der Windungen in der Wicklung eines Elektromagneten wird als bezeichnet magnetomotorische Kraft. Die magnetomotorische Kraft wird durch die Anzahl der Amperewindungen gemessen.

Beispielsweise führt die Wicklung eines Elektromagneten mit 1200 Windungen einen Strom von 50 mA. Magnetische Antriebskraft so ein Elektromagnet entspricht 0,05 x 1200 = 60 Ampere Windungen.

Die Wirkung der magnetomotorischen Kraft ähnelt der Wirkung der elektromotorischen Kraft in einem elektrischen Stromkreis. So wie EMF einen elektrischen Strom verursacht, erzeugt die magnetomotorische Kraft einen magnetischen Fluss in einem Elektromagneten. So wie in einem Stromkreis mit einer Erhöhung der EMF der Strom im Preis steigt, so steigt in einem Magnetkreis mit einer Erhöhung der magnetomotorischen Kraft der magnetische Fluss.

Aktion magnetischer Widerstandähnlich der Wirkung des elektrischen Widerstands des Stromkreises. Da der Strom mit zunehmendem Widerstand eines elektrischen Kreises abnimmt, so in einem magnetischen Kreis eine Erhöhung des magnetischen Widerstands bewirkt eine Verringerung des magnetischen Flusses.

Die Abhängigkeit des magnetischen Flusses eines Elektromagneten von der magnetomotorischen Kraft und seinem magnetischen Widerstand kann durch eine Formel ähnlich der Formel des Ohmschen Gesetzes ausgedrückt werden: magnetomotorische Kraft \u003d (magnetischer Fluss / magnetischer Widerstand)

Der magnetische Fluss ist gleich der magnetomotorischen Kraft dividiert durch den magnetischen Widerstand.

Die Anzahl der Windungen der Wicklung und der magnetische Widerstand für jeden Elektromagneten ist ein konstanter Wert. Daher ändert sich der magnetische Fluss eines bestimmten Elektromagneten nur mit einer Änderung des durch die Wicklung fließenden Stroms. Da die Anziehungskraft eines Elektromagneten durch seinen Magnetfluss bestimmt wird, muss der Strom in seiner Wicklung entsprechend erhöht (oder verringert) werden, um die Anziehungskraft eines Elektromagneten zu erhöhen (oder zu verringern).

polarisierter Elektromagnet

Ein polarisierter Elektromagnet ist eine Kombination aus einem Permanentmagneten und einem Elektromagneten. Es ist so angeordnet. An den Polen des Permanentmagneten sind sogenannte Weicheisen-Polverlängerungen angebracht. Jede Polverlängerung dient als Kern eines Elektromagneten, auf dem eine Spule mit Wicklung montiert ist. Beide Wicklungen sind in Reihe geschaltet.

Da die Polverlängerungen direkt an den Polen eines Permanentmagneten befestigt sind, haben sie auch ohne Strom in den Wicklungen magnetische Eigenschaften; gleichzeitig bleibt ihre Anziehungskraft unverändert und wird durch den magnetischen Fluss eines Permanentmagneten bestimmt.

Die Wirkung eines polarisierten Elektromagneten liegt in der Tatsache, dass, wenn Strom durch seine Wicklungen fließt, die Anziehungskraft seiner Pole je nach Größe und Richtung des Stroms in den Wicklungen zunimmt oder abnimmt. Auf dieser Eigenschaft eines polarisierten Elektromagneten ist die Wirkung anderer elektronische Geräte.

Einwirkung eines Magnetfeldes auf einen stromdurchflossenen Leiter

Wenn ein Leiter in einem Magnetfeld so platziert wird, dass er sich senkrecht zu den Kraftlinien des Felds befindet, und ein elektrischer Strom durch diesen Leiter geleitet wird, beginnt sich der Leiter zu bewegen und wird aus dem Magnetfeld herausgedrückt .

Durch die Wechselwirkung des Magnetfeldes mit dem elektrischen Strom setzt sich der Leiter in Bewegung, d.h. die elektrische Energie wird in mechanische Energie umgewandelt.

Die Kraft, mit der der Leiter aus dem Magnetfeld herausgedrückt wird, hängt von der Größe des magnetischen Flusses des Magneten, der Stromstärke im Leiter und der Länge des Teils des Leiters ab, den die Feldlinien kreuzen. Die Richtung dieser Kraft, also die Bewegungsrichtung des Leiters, hängt von der Stromrichtung im Leiter ab und wird durch bestimmt Regel der linken Hand.

Wenn Sie die linke Handfläche so halten, dass sie die magnetischen Feldlinien des Feldes enthält und die ausgestreckten vier Finger in Richtung des Stroms im Leiter zeigen, zeigt der gebogene Daumen die Bewegungsrichtung des Leiters an. Bei der Anwendung dieser Regel müssen wir bedenken, dass die Feldlinien aus dem Nordpol des Magneten kommen.

Elektromagnetische Phänomene

Elektromagnetische Phänomene spiegeln die Beziehung zwischen elektrischem Strom und einem Magnetfeld wider. Alle ihre physikalischen Gesetze sind gut bekannt, und wir werden nicht versuchen, sie zu korrigieren; Unser Ziel ist ein anderes: die physikalische Natur dieser Phänomene zu erklären.

Eines ist uns bereits klar: weder Elektrizität noch Magnetismus können ohne Elektronen existieren; und hier kommt der Elektromagnetismus ins Spiel. Wir haben auch darüber gesprochen Spule mit Strom erzeugt ein Magnetfeld. Lassen Sie uns beim letzten Phänomen verweilen und spezifizieren, wie es auftritt.

Wir betrachten die Spule vom Ende her und lassen den elektrischen Strom gegen den Uhrzeigersinn durch sie fließen. Der Strom ist ein Elektronenfluss, der entlang der Oberfläche des Leiters gleitet (nur an der Oberfläche - offene Saugrinnen). Der Elektronenfluss wird den angrenzenden Äther mit sich ziehen und er beginnt sich auch gegen den Uhrzeigersinn zu bewegen. Die Geschwindigkeit des Äthers in der Nähe des Leiters wird durch die Geschwindigkeit der Elektronen im Leiter bestimmt und hängt wiederum von der Differenz des Ätherdrucks (von der elektrischen Spannung an der Spule) und von der Strömungsfläche ab des Dirigenten. Der vom Strom mitgerissene Äther wirkt sich auf die benachbarten Schichten aus, und sie bewegen sich auch innerhalb und außerhalb der Spule kreisförmig. Die Geschwindigkeit des wirbelnden Äthers verteilt sich wie folgt: Sein größter Wert liegt natürlich im Bereich der Windungen; Wenn es in die Mitte verschoben wird, nimmt es gemäß einem linearen Gesetz ab, so dass es genau in der Mitte Null ist; Wenn Sie sich von den Kurven zur Peripherie bewegen, nimmt die Geschwindigkeit ebenfalls ab, jedoch nicht nach einem linearen, sondern nach einem komplexeren Gesetz.

Der durch den Strom verdrehte Äther-Makrowirbel beginnt, die Elektronen so auszurichten, dass sie sich alle drehen, bis die Rotationsachsen parallel zur Achse der Spule sind; während sie sich in der Spule gegen den Uhrzeigersinn drehen und außerhalb im Uhrzeigersinn; Gleichzeitig neigen die Elektronen zu einer koaxialen Anordnung, dh sie werden in Magnetschnüren gesammelt. Der Prozess der Elektronenorientierung wird einige Zeit dauern, und nach Abschluss erscheint ein Magnetstrahl innerhalb der Spule mit dem Nordpol zu uns und außerhalb der Spule, im Gegenteil, der Nordpol wird von uns entfernt sein. Damit haben wir die Gültigkeit der in der Elektrotechnik bekannten Schrauben- oder Bohrerregel bewiesen, die einen Zusammenhang zwischen der Richtung des Stroms und der Richtung des von ihm erzeugten Magnetfelds herstellt.

Die magnetische Kraft (Stärke) an jedem Punkt des Magnetfelds wird durch die Änderung der Geschwindigkeit des Äthers an diesem Punkt bestimmt, dh die Ableitung der Geschwindigkeit in Bezug auf den Abstand von den Windungen der Spule: Je steiler die Geschwindigkeitsänderung, desto größer die Spannung. Wenn wir die Magnetkraft der Spule mit ihren elektrischen und geometrischen Parametern korrelieren, dann hat sie eine direkte Abhängigkeit von der Größe des Stroms und eine umgekehrte Abhängigkeit vom Durchmesser der Spule. Je größer der Strom und je kleiner der Durchmesser, desto mehr Möglichkeiten, Elektronen in Schnüren einer bestimmten Drehrichtung zu sammeln, desto größer ist die Magnetkraft der Spule. Dass die Stärke des Magnetfeldes durch das Medium verstärkt oder abgeschwächt werden kann, wurde bereits erwähnt.

Der Vorgang der Umwandlung von Gleichstrom in Magnetismus ist nicht umkehrbar: Wird ein Magnet in die Spule gesteckt, entsteht darin kein Strom. Die Energie des Makrowirbels, der um den Magneten herum vorhanden ist, ist so gering, dass er die Elektronen nicht zwingen kann, sich mit dem geringsten Widerstand entlang der Windungen zu bewegen. Erinnern wir uns noch einmal daran, dass im umgekehrten Prozess der Äther-Makrowirbel, der als Vermittler fungierte, nur die Elektronen orientierte und nichts weiter, das heißt, er kontrollierte nur das Magnetfeld, und die Feldstärke wurde durch die Anzahl der unidirektionalen Magneten bestimmt Schnüre.

Wenn Strom durch einen geraden Leiter fließt, entsteht um ihn herum ein Magnetfeld (Abb. 26). Die magnetischen Kraftlinien dieses Feldes sind entlang konzentrischer Kreise angeordnet, in deren Mitte sich ein stromdurchflossener Leiter befindet.

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Die Richtung magnetischer Feldlinien kann durch die Gimlet-Regel bestimmt werden. Wenn die Translationsbewegung des Gimlets (Abb. 27) mit der Richtung des Stroms im Leiter übereinstimmen, zeigt die Drehung seines Griffs die Richtung der Magnetfeldlinien um den Leiter herum an. Je größer der Strom ist, der durch den Leiter fließt, desto stärker ist das Magnetfeld, das um ihn herum entsteht. Wenn sich die Richtung des Stroms ändert, ändert auch das Magnetfeld seine Richtung.

Wenn Sie sich vom Leiter entfernen, sind die magnetischen Kraftlinien weniger häufig.

Wege zur Verstärkung von Magnetfeldern. Um bei kleinen Strömen starke Magnetfelder zu erhalten, wird die Anzahl der stromdurchflossenen Leiter üblicherweise erhöht und in Form einer Windungsreihe ausgeführt; ein solches Gerät wird Spule genannt.

Bei einem in Form einer Spule gebogenen Leiter (Abb. 28, a) haben die von allen Abschnitten dieses Leiters gebildeten Magnetfelder innerhalb der Spule die gleiche Richtung. Daher ist die Intensität des Magnetfelds innerhalb der Spule größer als um den geradlinigen Leiter herum. Beim Kombinieren werden zu einer Spule magnetische Felder, s
erzeugt durch einzelne Windungen, addieren sich (Abb. 28, b) und ihre Kraftlinien werden zu einem gemeinsamen magnetischen Fluss verbunden. In diesem Fall nimmt die Konzentration der Feldlinien innerhalb der Spule zu, d. h. das Magnetfeld in ihr nimmt zu. Je mehr Strom durch die Spule fließt und je mehr Windungen sie hat, desto stärker ist das von der Spule erzeugte Magnetfeld.

Eine stromdurchflossene Spule ist ein künstlicher Elektromagnet. Um das Magnetfeld zu verstärken, wird ein Stahlkern in die Spule eingesetzt; ein solches Gerät wird als Elektromagnet bezeichnet.

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Um die Richtung des von einer Spule oder Spule erzeugten Magnetfelds zu begrenzen, können Sie auch Ihre rechte Hand (Abb. 29) und einen Handbohrer (Abb. 30) verwenden.

18. Magnetische Eigenschaften verschiedener Substanzen.

Alle Stoffe werden je nach magnetischen Eigenschaften in drei Gruppen eingeteilt: ferromagnetisch, paramagnetisch und diamagnetisch.

Ferromagnetische Materialien umfassen Eisen, Kobalt, Nickel und deren Legierungen. Sie haben eine hohe magnetische Permeabilität µ und gut angezogen von Magneten und Elektromagneten.

Zu den paramagnetischen Materialien gehören Aluminium, Zinn, Chrom, Mangan, Platin, Wolfram, Lösungen von Eisensalzen usw. Paramagnetische Materialien werden von Magneten und Elektromagneten um ein Vielfaches schwächer angezogen als ferromagnetische Materialien.

Diamagnetische Stoffe werden von Magneten nicht angezogen, sondern abgestoßen. Dazu gehören Kupfer, Silber, Gold, Blei, Zink, Harz, Wasser, die meisten Gase, Luft usw.

Magnetische Eigenschaften ferromagnetischer Materialien. Ferromagnetische Materialien werden aufgrund ihrer Magnetisierbarkeit häufig bei der Herstellung von elektrischen Maschinen und Geräten in anderen elektrischen Anlagen verwendet.

Magnetisierungskurve. Der Magnetisierungsvorgang eines ferromagnetischen Materials kann als Magnetisierungskurve (Abb. 31) dargestellt werden, die die Abhängigkeit der Induktion darstellt BEI von Spannung H Magnetfeld (vom Magnetisierungsstrom ich ).

Die Magnetisierungskurve lässt sich in drei Abschnitte unterteilen: Oh-ah , bei dem die magnetische Induktion fast proportional zum Magnetisierungsstrom zunimmt; a-b , auf dem sich das Wachstum der magnetischen Induktion verlangsamt, und der Bereich der magnetischen Sättigung über den Punkt hinaus b , wo Abhängigkeit BEI aus H wird wieder geradlinig, ist aber durch einen langsamen Anstieg der magnetischen Induktion mit zunehmender Feldstärke gekennzeichnet.

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Ummagnetisierung ferromagnetischer Materialien, Hystereseschleife. Von großer praktischer Bedeutung, insbesondere in elektrischen Maschinen und Wechselstromanlagen, ist der Vorgang der Ummagnetisierung ferromagnetischer Materialien. Auf Abb. 32 zeigt ein Diagramm der Induktionsänderung während der Magnetisierung und Entmagnetisierung eines ferromagnetischen Materials (mit einer Änderung des Magnetisierungsstroms ich . Wie aus diesem Diagramm ersichtlich ist, ist bei gleichen Werten der Magnetfeldstärke die durch Entmagnetisieren eines ferromagnetischen Körpers erhaltene magnetische Induktion (Abschnitt ein BC ), wird während der Magnetisierung mehr Induktion erhalten (Abschnitte Oh-ah und Ja ). Wenn der Magnetisierungsstrom auf Null gebracht wird, sinkt die Induktion im ferromagnetischen Material nicht auf Null, sondern behält einen gewissen Wert BEI r dem Segment entsprechend Um . Dieser Wert wird aufgerufen Restinduktion.

Das Phänomen der Verzögerung oder Verzögerung von Änderungen der magnetischen Induktion aufgrund der entsprechenden Änderungen der Stärke des Magnetfelds wird als magnetische Hysterese bezeichnet, und die Aufrechterhaltung eines Magnetfelds in einem ferromagnetischen Material, nachdem der Fluss des Magnetisierungsstroms aufhört - Restmagnetismus.

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Durch Änderung der Richtung des Magnetisierungsstroms ist es möglich, den ferromagnetischen Körper vollständig zu entmagnetisieren und die magnetische Induktion in ihm auf Null zu bringen. Spannung umkehren H Mit , bei der die Induktion in einem ferromagnetischen Material auf Null abfällt, heißt Zwangskraft. Kurve Oh-ah , die unter der Bedingung erhalten wird, dass die ferromagnetische Substanz zuvor entmagnetisiert wurde, wird als anfängliche Magnetisierungskurve bezeichnet. Die Induktionskurve wird aufgerufen Hystereseschleife.

Einfluss ferromagnetischer Materialien auf die Magnetfeldverteilung. Bringt man einen Körper aus ferromagnetischem Material in ein Magnetfeld, treten die magnetischen Feldlinien rechtwinklig ein und aus. Im Körper selbst und um ihn herum kommt es zu einer Verdichtung von Feldlinien, d. h. die Induktion des Magnetfelds im Körper und in seiner Nähe nimmt zu. Wenn ein ferromagnetischer Körper in Form eines Rings hergestellt wird, dringen magnetische Kraftlinien praktisch nicht in seinen inneren Hohlraum ein (Abb. 33), und der Ring dient als magnetische Abschirmung, die den inneren Hohlraum vor dem Einfluss von a schützt Magnetfeld. Auf dieser Eigenschaft ferromagnetischer Materialien beruht die Wirkung verschiedener Abschirmungen, die elektrische Messgeräte, elektrische Kabel und andere elektrische Geräte vor den schädlichen Einflüssen äußerer Magnetfelder schützen.

Lassen Sie uns das Feld berechnen, das durch den Strom erzeugt wird, der durch einen dünnen, geraden Draht von unendlicher Länge fließt.

Magnetfeldinduktion an einem beliebigen Punkt ABER(Abb. 6.12), die vom Leiterelement erzeugt werden d l , wird gleich sein

Reis. 6.12. Magnetfeld eines geraden Leiters

Felder von verschiedenen Elementen haben die gleiche Richtung (tangential zu einem Kreis mit Radius R in einer Ebene orthogonal zum Leiter liegend). Wir können also die Absolutwerte addieren (integrieren).

Äußern r und sin durch die Integrationsvariable l

Dann wird (6.7) in die Form umgeschrieben

Auf diese Weise,

Das Muster der Kraftlinien des Magnetfelds eines unendlich langen, geradlinigen, stromdurchflossenen Leiters ist in Abb. 1 dargestellt. 6.13.

Reis. 6.13. Magnetische Kraftlinien des Feldes eines geradlinigen Leiters mit Strom:
1 - Seitenansicht; 2, 3 - Schnitt des Leiters durch eine Ebene senkrecht zum Leiter

Reis. 6.14. Bezeichnungen der Stromrichtung im Leiter

Um die Richtung des Stroms in einem Leiter senkrecht zur Bildebene anzugeben, verwenden wir die folgende Notation (Abb. 6.14):

Erinnern Sie sich an den Ausdruck für die elektrische Feldstärke eines dünnen Fadens, der mit einer linearen Ladungsdichte geladen ist

Die Ähnlichkeit der Ausdrücke ist offensichtlich: Wir haben die gleiche Abhängigkeit vom Abstand zum Filament (Strom), die lineare Ladungsdichte wurde durch die Stromstärke ersetzt. Aber die Richtungen der Felder sind unterschiedlich. Bei einem Filament wird das elektrische Feld entlang der Radien gerichtet. Die Kraftlinien des Magnetfelds eines unendlichen geradlinigen Leiters mit Strom bilden ein System konzentrischer Kreise, die den Leiter bedecken. Die Richtungen der Kraftlinien bilden mit der Stromrichtung ein rechtshändiges System.

Auf Abb. 6.15 zeigt die Erfahrung beim Studium der Verteilung magnetischer Feldlinien um einen geradlinigen stromdurchflossenen Leiter. Ein dicker Kupferleiter wird durch Löcher in einer transparenten Platte geführt, auf die Eisenspäne gegossen werden. Nach Einschalten des Gleichstroms mit einer Leistung von 25 A und Klopfen auf die Platte bilden die Sägespäne Ketten, die die Form der magnetischen Feldlinien wiederholen.

Um einen geraden Draht senkrecht zur Platte werden ringförmige Kraftlinien beobachtet, die sich am dichtesten in der Nähe des Drahtes befinden. Wenn Sie sich davon entfernen, nimmt das Feld ab.

Reis. 6.15. Visualisierung magnetischer Feldlinien um einen geraden Leiter

Auf Abb. 6.16 stellt Experimente vor, um die Verteilung magnetischer Feldlinien um Drähte herum zu untersuchen, die eine Pappplatte kreuzen. Auf eine Platte gestreute Eisenspäne reihen sich entlang der Magnetfeldlinien auf.