O polu magnetycznym, solenoidach i elektromagnesach

Pole magnetyczne prądu elektrycznego

Pole magnetyczne nie jest tworzone wyłącznie przez naturalne lub sztuczne magnesy trwałe, ale także przewodnikiem, jeśli przepływa przez niego prąd elektryczny. Dlatego istnieje związek między zjawiskami magnetycznymi i elektrycznymi.

Nietrudno jest upewnić się, że wokół drutu, przez który płynie prąd, powstaje pole magnetyczne. Umieść prosty drut nad ruchomą igłą magnetyczną równolegle do niej i przepuść przez niego prąd elektryczny. Strzałka zajmie pozycję prostopadłą do drutu.

Jakie siły mogą spowodować obrót igły magnetycznej? Oczywiście siła pola magnetycznego utworzonego wokół drutu. Wyłącz zasilanie, a igła magnetyczna powróci do swojej normalnej pozycji. Sugeruje to, że po wyłączeniu prądu pole magnetyczne drutu również zanika.

W ten sposób prąd elektryczny przepływający przez drut wytwarza pole magnetyczne. Aby dowiedzieć się, w którym kierunku odchyli się igła magnetyczna, zastosuj regułę prawej dłoni.Jeśli położysz prawą rękę na drucie, dłonią w dół, tak aby kierunek prądu pokrywał się z kierunkiem palców, to zgięty kciuk wskaże kierunek odchylenia bieguna północnego igły magnetycznej umieszczonej pod drutem . Korzystając z tej zasady i znając biegunowość strzałki, możesz również określić kierunek prądu w przewodzie.

Prostoliniowe drutowe pole magmowe ma kształt koncentrycznych okręgów. Jeśli położysz prawą rękę na drucie, dłonią w dół, tak aby prąd płynął z palców, to zgięty kciuk wskaże biegun północny igły magnetycznej.Takie pole nazywa się kołowym polem magnetycznym.

Kierunek linii sił pola kołowego zależy od kierunki prądu elektrycznego w przewodniku i jest określona przez tzw. regułę gimbala. Jeśli gimbal jest mentalnie skręcony w kierunku prądu, to kierunek obrotu jego uchwytu będzie pokrywał się z kierunkiem linii pola magnetycznego. Stosując tę ​​zasadę, możesz określić kierunek prądu w przewodzie, jeśli znasz kierunek linii pola utworzonego przez ten prąd.

Wracając do eksperymentu z igłą magnetyczną, możesz się upewnić, że jest ona zawsze ustawiona północnym końcem w kierunku linii pola magnetycznego.

W ten sposób wokół prostego drutu, przez który przepływa prąd elektryczny, powstaje pole magnetyczne. Ma kształt koncentrycznych okręgów i nazywa się kołowym polem magnetycznym.

Podeszwy itp. Pole magnetyczne solenoidu

Pole magnetyczne powstaje wokół dowolnego drutu, niezależnie od jego kształtu, pod warunkiem, że przepływa przez niego prąd elektryczny.

V elektrotechnika, którą się zajmujemy różne rodzaje cewekskładający się z kilku tur.Aby zbadać pole magnetyczne interesującej nas cewki, zastanówmy się najpierw, jaki kształt ma pole magnetyczne jednego zwoju.

Wyobraź sobie cewkę grubego drutu przechodzącą przez kawałek tektury i podłączoną do źródła zasilania. Kiedy prąd elektryczny przepływa przez cewkę, wokół każdej części cewki powstaje okrągłe pole magnetyczne. Zgodnie z regułą „gimbala” łatwo stwierdzić, że linie pola magnetycznego wewnątrz pętli mają ten sam kierunek (do nas lub od nas, w zależności od kierunku prądu w pętli) i wychodzą z jednej strony pętli i wejść z drugiej strony Szereg takich cewek, w postaci spirali, to tak zwany solenoid (cewka).

Pole magnetyczne powstaje wokół solenoidu, gdy przepływa przez niego prąd. Uzyskuje się go w wyniku dodania pól magnetycznych każdego zwoju i kształtem przypomina pole magnetyczne prostoliniowego magnesu. Linie pola magnetycznego solenoidu, podobnie jak w przypadku magnesu prostoliniowego, opuszczają jeden koniec solenoidu i wracają do drugiego. Wewnątrz solenoidu mają ten sam kierunek. W ten sposób końce solenoidu są spolaryzowane. Koniec, z którego wychodzą linie energetyczne, to biegun północny solenoidu, a koniec, do którego wchodzą linie energetyczne, to biegun południowy.

Bieguny elektromagnesu można określić za pomocą reguły prawej dłoni, ale do tego trzeba znać kierunek prądu na jego zwojach. Jeśli położysz prawą rękę na solenoidzie dłonią w dół, tak aby prąd płynął z palców, to zgięty kciuk wskaże biegun północny solenoidu... Z tej reguły wynika, że ​​biegunowość solenoidu zależy od kierunku płynącego w nim prądu.Łatwo to sprawdzić w praktyce, przykładając igłę magnetyczną do jednego z biegunów elektromagnesu, a następnie zmieniając kierunek prądu w elektromagnesie. Strzałka natychmiast obróci się o 180 °, to znaczy pokaże, że zmieniły się bieguny solenoidu.

Solenoid ma zdolność wciągania płuc.duseful obiektów. Jeśli wewnątrz solenoidu zostanie umieszczony stalowy pręt, to po pewnym czasie, pod wpływem pola magnetycznego solenoidu, pręt zostanie namagnesowany. Ta metoda jest stosowana w produkcji magnesy trwałe.

Elektromagnesy

Elektromagnes to cewka (solenoid) z umieszczonym w niej żelaznym rdzeniem. Kształty i rozmiary elektromagnesów są różne, ale ogólna struktura wszystkich z nich jest taka sama.

Cewka elektromagnesu jest ramą wykonaną najczęściej z preszpanu lub włókna i ma różne kształty w zależności od przeznaczenia elektromagnesu. Drut izolowany miedzią jest nawinięty na ramę w kilku warstwach - cewka elektromagnesu. Ma różną liczbę zwojów i jest wykonany z drutu o różnych średnicach, w zależności od przeznaczenia elektromagnesu.

Aby zabezpieczyć izolację cewki przed uszkodzeniami mechanicznymi, cewka jest pokryta jedną lub kilkoma warstwami papieru lub innego materiału izolacyjnego. Początek i koniec uzwojenia są wyprowadzone i podłączone do zacisków wyjściowych zamocowanych na ramie lub do elastycznych przewodów z uszami na końcach.

Cewka elektromagnesu osadzona jest na rdzeniu wykonanym z miękkiego, wyżarzonego żelaza lub stopów żelaza z krzemem, niklem itp. To żelazo ma najmniej pozostałości magnetyzm... Rdzenie są najczęściej wykonane z cienkich blach, izolowanych od siebie.Kształty rdzenia mogą być różne, w zależności od przeznaczenia elektromagnesu.

Jeśli prąd elektryczny przepływa przez cewkę elektromagnesu, wokół cewki powstaje pole magnetyczne, które magnesuje rdzeń. Ponieważ rdzeń jest wykonany z miękkiego żelaza, zostanie natychmiast namagnesowany. Jeśli następnie wyłączysz prąd, właściwości magnetyczne rdzenia również szybko znikną i przestanie on być magnesem. Bieguny elektromagnesu, podobnie jak solenoidu, określa reguła prawej dłoni. Jeśli w cewce elektromagnesu igmJedz aktualny kierunek, to odpowiednio zmieni się biegunowość elektromagnesu.

Działanie elektromagnesu jest podobne do działania magnesu stałego. Istnieje jednak duża różnica między nimi. Magnes trwały jest zawsze magnetyczny, a elektromagnes tylko wtedy, gdy przez jego cewkę przepływa prąd elektryczny.

Ponadto siła przyciągania magnesu trwałego pozostaje niezmieniona, ponieważ strumień magnetyczny magnesu trwałego pozostaje niezmieniony. Siła przyciągania elektromagnesu nie jest stała, ten sam elektromagnes może mieć różną grawitację. Siła przyciągania dowolnego magnesu zależy od wielkości jego strumienia magnetycznego.

Przyciąganie elektromagnesu mułowego, a tym samym jego strumień magnetyczny, zależy od wielkości prądu przepływającego przez cewkę tego elektromagnesu. Im większy prąd, tym większa siła przyciągania elektromagnesu i odwrotnie, im mniejszy prąd w cewce elektromagnesu, tym mniejsza siła przyciąga do siebie ciała magnetyczne.

Ale w przypadku elektromagnesów o różnej konstrukcji i wielkości siła ich przyciągania zależy nie tylko od wielkości prądu w cewce.Jeśli na przykład weźmiemy dwa elektromagnesy tego samego urządzenia i wielkości, ale jeden z małą liczbą cewek, a drugi z dużo większą liczbą cewek, to łatwo zauważyć, że przy tym samym prądzie siła przyciągania ten ostatni będzie znacznie większy. Rzeczywiście, im większa liczba cewek, tym większe przy danym prądzie pole magnetyczne wytwarzane wokół tej cewki, ponieważ składa się ona z pól magnetycznych każdego zwoju. Oznacza to, że strumień magnetyczny elektromagnesu i odpowiednio siła jego przyciągania będą tym większe, im większa będzie liczba zwojów cewki.

Jest jeszcze jeden powód, który wpływa na wielkość strumienia magnetycznego elektromagnesu. To jest jakość jego obwodu magnetycznego. Obwód magnetyczny to ścieżka, wzdłuż której zamyka się strumień magnetyczny. Obwód magnetyczny ma pewien opór magnetyczny... Opór magnetyczny zależy od przenikalności magnetycznej ośrodka, przez który przepływa strumień magnetyczny. Im większa przenikalność magnetyczna tego ośrodka, tym mniejszy jest jego opór magnetyczny.

Ponieważ przepuszczalność magnetyczna ciał ferromagnetycznych (żelazo, stal) jest wielokrotnie większa niż przenikalność magnetyczna powietrza, dlatego bardziej opłaca się wykonać elektromagnesy tak, aby ich obwód magnetyczny nie zawierał sekcji powietrznych. Nazywa się iloczyn siły prądu i liczby zwojów cewki elektromagnesu siła magnetomotoryczna... Siłę magnetomotoryczną mierzy się liczbą amperozwojów.

Na przykład prąd o natężeniu 50 mA przepływa przez cewkę elektromagnesu z 1200 zwojami. Siła magnetomotoryczna takiego elektromagnesu równa 0,05 NS 1200 = 60 amperów.

Działanie siły magnetomotorycznej jest podobne do działania siły elektromotorycznej w obwodzie elektrycznym. Tak jak EMF jest przyczyną prądu elektrycznego, siła magnetomotoryczna wytwarza strumień magnetyczny w elektromagnesie. Tak jak w obwodzie elektrycznym wraz ze wzrostem pola elektromagnetycznego wzrasta wartość prądu, tak w obwodzie magnetycznym wraz ze wzrostem siły magnetomotorycznej wzrasta strumień magnetyczny.

Działanie oporu magnetycznego podobne do działania oporu obwodu elektrycznego. Tak jak w przypadku wzrostu rezystancji obwodu elektrycznego prąd maleje, tak w obwodzie magnetycznym wzrost oporu magnetycznego powoduje zmniejszenie strumienia magnetycznego.

Zależność strumienia magnetycznego elektromagnesu od siły magnetomotorycznej i jego oporu magnetycznego można wyrazić wzorem podobnym do wzoru prawa Ohma: siła magnetomotoryczna = (strumień magnetyczny / reluktancja)

Strumień magnetyczny jest równy sile magnetomotorycznej podzielonej przez reluktancję.

Liczba zwojów cewki i opór magnetyczny dla każdego elektromagnesu jest wartością stałą. Dlatego strumień magnetyczny danego elektromagnesu zmienia się tylko wraz ze zmianą prądu przepływającego przez cewkę. Ponieważ siła przyciągania elektromagnesu jest określona przez jego strumień magnetyczny, aby zwiększyć (lub zmniejszyć) siłę przyciągania elektromagnesu, konieczne jest odpowiednie zwiększenie (lub zmniejszenie) prądu w jego cewce.

Elektromagnes spolaryzowany

Spolaryzowany elektromagnes to sprzężenie magnesu stałego z elektromagnesem. Układa się go w ten sposób, że do biegunów magnesu trwałego przymocowane są tak zwane przedłużki z miękkich żeliwnych biegunów.Każdy biegun służy jako rdzeń elektromagnetyczny, na którym umieszczona jest cewka z cewką. Obie cewki są połączone szeregowo.

Ponieważ przedłużenia biegunów są bezpośrednio połączone z biegunami magnesu trwałego, mają właściwości magnetyczne nawet przy braku prądu w cewkach; jednocześnie ich siła przyciągania pozostaje niezmieniona i jest określona przez strumień magnetyczny magnesu trwałego.

Działanie spolaryzowanego elektromagnesu polega na tym, że gdy prąd przepływa przez jego cewki, siła przyciągania jego biegunów wzrasta lub maleje w zależności od wielkości i kierunku prądu w cewkach. Ta właściwość spolaryzowanego elektromagnesu opiera się na działaniu elektromagnetyczny przekaźnik spolaryzowany i innych urządzeń elektrycznych.

Działanie pola magnetycznego na przewodnik z prądem

Jeśli drut zostanie umieszczony w polu magnetycznym tak, że jest prostopadły do ​​linii pola i przepływa przez niego prąd elektryczny, drut zacznie się poruszać i będzie popychany przez pole magnetyczne.

W wyniku oddziaływania pola magnetycznego z prądem elektrycznym przewodnik zaczyna się poruszać, to znaczy energia elektryczna jest zamieniana na energię mechaniczną.

Siła, z jaką drut jest odpychany przez pole magnetyczne, zależy od wielkości strumienia magnetycznego magnesu, natężenia prądu w przewodzie oraz długości tej części drutu, przez którą przecinają się linie sił. Kierunek działania tej siły, czyli kierunek ruchu przewodnika, zależy od kierunku prądu w przewodniku i jest określony regułą lewej ręki.

Jeśli przytrzymasz lewą dłoń tak, aby weszły w nią linie pola magnetycznego, a wyciągnięte cztery palce są obrócone w kierunku prądu w przewodniku, wówczas zgięty kciuk wskaże kierunek ruchu przewodnika ... Stosując tę ​​zasadę, należy pamiętać, że linie pola rozciągają się od bieguna północnego magnesu.