kategorier: Utvalgte artikler » Begynnerelektrikere
Antall visninger: 110313
Kommentarer til artikkelen: 4
Induktorer og magnetiske felt
Etter historien om bruk av kondensatorer Det ville være logisk å snakke om en annen representant for passive radioelementer - induktorer. Men historien om dem vil måtte starte langveis fra, for å huske eksistensen av et magnetfelt, fordi det er magnetfeltet som omgir og trenger gjennom spolene, det er i et magnetfelt, ofte vekslende, at spolene fungerer. Kort sagt, dette er deres habitat.
Magnetisme som egenskap til materie
Magnetisme er en av de viktigste egenskapene til materie, så vel som for eksempel masse eller elektrisk felt. Fenomenene magnetisme har imidlertid, som elektrisitet, vært kjent i lang tid, først da kunne ikke vitenskapen forklare essensen av disse fenomenene. Et uforståelig fenomen ble kalt "magnetisme" med navnet Magnesia, som en gang var i Lilleasia. Det var fra malm som ble utvunnet i nærheten at permanente magneter ble oppnådd.
Men de permanente magnetene i rammen av denne artikkelen er ikke spesielt interessante. Så snart det ble lovet å snakke om induktorer, så vil vi mest sannsynlig snakke om elektromagnetisme, fordi det er langt fra en hemmelighet at selv rundt en ledning med strøm er det et magnetfelt.
Under moderne forhold er det ganske enkelt å undersøke fenomenet magnetisme på det første, i det minste nivået. For å gjøre dette, må du sette sammen en enkel elektrisk krets fra et batteri og en pære for en lommelykt. Som en indikator på magnetfeltet, dets retning og intensitet, kan du bruke det vanlige kompasset.
DC magnetfelt
Som du vet, viser kompasset retning mot nord. Hvis du plasserer ledningene i den enkleste kretsen som er nevnt over og slår på lyset, vil kompassnålen avvike noe fra normal stilling.
Ved å koble en annen pære parallelt, kan du doble strømmen i kretsen, noe som får pilens rotasjonsvinkel til å øke. Dette antyder at magnetfeltet til ledningen med strøm har blitt større. Det er på dette prinsippet pilens måleinstrumenter fungerer.
Hvis polariteten ved å slå på batteriet reverseres, vil kompassnålen vende seg til den andre enden - magnetfeltets retning i ledningene endret seg også i retning. Når kretsen er slått av, vil kompassnålen gå tilbake til sin rettmessige stilling. Det er ingen strøm i spolen, og det er ikke noe magnetfelt.
I alle disse eksperimentene spiller kompasset rollen som en magnetisk testnål, akkurat som en undersøkelse av et konstant elektrisk felt utføres av en testelektrisk ladning.
Basert på slike enkleste eksperimenter, kan vi konkludere med at magnetisme er født på grunn av elektrisk strøm: jo sterkere denne strømmen, desto sterkere er magnetiske egenskaper til lederen. Og hvor kommer magnetfeltet til permanente magneter fra, siden ingen koblet batteriet med ledninger til dem?
Grunnleggende vitenskapelig forskning har bevist at permanent magnetisme er basert på elektriske fenomener: hvert elektron er i sitt eget elektriske felt og har elementære magnetiske egenskaper. Bare i de fleste stoffer nøytraliseres disse egenskapene gjensidig, og av en eller annen grunn danner de en stor magnet.
Selvfølgelig er faktisk ikke alt så primitivt og enkelt, men generelt har til og med permanente magneter sine fantastiske egenskaper på grunn av bevegelse av elektriske ladninger.
Og hva slags magnetiske linjer er de?
Magnetiske linjer kan sees visuelt. I skolens erfaring, i fysikkundervisning, helles metallinnskudd på et ark papp, og en permanent magnet plasseres under. Hvis du tapper lett på et pappark, kan du oppnå bildet som er vist i figur 1.
Figur 1
Det er lett å se at magnetiske kraftlinjer forlater nordpolen og kommer inn i sør, uten å bryte. Selvfølgelig kan vi si at det tvert imot er fra sør til nord, men det er så akseptert, derfor, fra nord til sør. På samme måte som de en gang vedtok retning av strømmen fra pluss til minus.
Hvis en strømtråd i stedet for en permanent magnet føres gjennom en papp, vil metallfiler vise den, lederen, magnetfeltet. Dette magnetfeltet har form av konsentriske sirkulære linjer.
For å studere magnetfeltet kan du gjøre det uten sagflis. Det er nok å bevege den magnetiske pilen rundt strømlederen for å se at de magnetiske kraftlinjene faktisk er lukkede konsentriske sirkler. Hvis vi flytter testpilen til siden der magnetfeltet avleder den, vil vi helt sikkert komme tilbake til samme punkt fra der bevegelsen begynte. Tilsvarende som å vandre rundt på jorden: hvis du ikke går noen vei uten å snu, vil du før eller siden komme til samme sted.
Figur 2
Gimlet-regel
Retningen til magnetfeltet til en leder med strøm bestemmes av regelen for gimlet, et verktøy for å bore hull i et tre. Alt er veldig enkelt her: gimlet må roteres slik at dets translasjonsbevegelse faller sammen med retningen på strømmen i ledningen, da vil rotasjonsretningen til håndtaket vise hvor magnetfeltet er rettet.
Figur 3
“Strømmen kommer fra oss” - korset i midten av sirkelen er fjærdrakten av en pil som flyr utover bildet på planet, og hvor “Strømmen kommer mot oss”, vises spissen av pilen som flyr på grunn av arkets plan. I det minste ble en slik forklaring av disse betegnelsene gitt i fysikkundervisning på skolen.
Samspillet mellom magnetfeltene til to ledere og strøm
Figur 4
Hvis vi bruker gimletregelen på hver leder, og etter å ha bestemt retningen til magnetfeltet i hver leder, kan vi med sikkerhet si at ledere med samme strømretning blir tiltrukket, og magnetfeltene deres legger opp. Ledere med strømmer i forskjellige retninger er gjensidig avvisende, magnetfeltet deres blir kompensert.
spole
Hvis lederen med strøm er laget i form av en ring (spole), har den sine egne magnetiske poler, nord og sør. Men magnetfeltet til en sving er vanligvis lite. Du kan oppnå mye bedre resultater ved å pakke ledningen i form av en spole. En slik del kalles en induktor eller bare en induktans. I dette tilfellet legger magnetfeltene til individuelle svinger seg opp, og gjensidig forsterker hverandre.
Figur 5
Figur 5 viser hvordan du får summen av magnetfeltene til spolen. Det ser ut til å være mulig å drive hver sving fra kilden, som vist på fig. 5.2, men det er lettere å koble svingene i serie (bare pakk dem inn med en ledning).
Det er ganske åpenbart at jo flere svinger spolen har, jo sterkere er magnetfeltet. Magnetfeltet avhenger også av strømmen gjennom spolen. Derfor er det legitimt å vurdere evnen til en spole til å lage et magnetfelt ved å multiplisere strømmen gjennom spolen (A) med antall svinger (W). Denne verdien kalles ampere-vendinger.
Kjernespole
Magnetfeltet som genereres av spolen kan økes betydelig hvis en kjerne av ferromagnetisk materiale føres inn i spolen. Figur 6 viser en tabell med den relative magnetiske permeabiliteten til forskjellige stoffer.
For eksempel vil transformatorstål gjøre magnetfeltet omtrent 7,7,5 tusen ganger sterkere enn i fravær av en kjerne. Med andre ord, inne i kjernen vil magnetfeltet rotere magnetnålen 7000 ganger sterkere (dette kan bare tenkes mentalt).
Figur 6
Paramagnetiske og diamagnetiske stoffer er plassert øverst på bordet. Relativ magnetisk permeabilitet µ er indikert i forhold til vakuum. Paramagnetiske stoffer forsterker følgelig magnetfeltet litt, mens diamagnetiske stoffer svekkes litt.Generelt har disse stoffene ikke en spesiell effekt på magnetfeltet. Skjønt messing- eller aluminiumskjerner brukes ofte til høye frekvenser for å justere konturene.
Nederst på bordet er ferromagnetiske stoffer som betydelig forbedrer magnetfeltet til spolen med strøm. Så for eksempel vil en kjerne laget av transformatorstål gjøre magnetfeltet sterkere nøyaktig 7.500 ganger.
Hvordan og hvordan du måler magnetfeltet
Når det var behov for enheter for å måle elektriske mengder, ble elektronladningen tatt som referanse. En veldig ekte og til og med håndgripelig enhet ble dannet fra ladningen til et elektron - et anheng, og på sin basis viste alt seg å være enkelt: ampere, volt, ohm, joule, watt, farad.
Og hva kan tas som utgangspunkt for måling av magnetfelt? På en eller annen måte feste seg til magnetfeltet til elektronet er veldig problematisk. Derfor blir en leder adoptert som en måleenhet i magnetisme, gjennom hvilken en jevn strøm på 1 A strømmer.
Magnetiske feltegenskaper
Det viktigste kjennetegn er spenning (H). Den viser med hvilken kraft magnetfeltet virker på testlederen som er nevnt over, hvis det skjer i et vakuum. Vakuumet er ment å utelukke påvirkning fra miljøet, derfor er denne egenskapen - spenning ansett som helt ren. Amper per meter (a / m) blir tatt som spenningsenheten. Slik spenning vises i en avstand på 16 cm fra lederen, langs hvilken 1A strøm strømmer.
Feltstyrken snakker bare om magnetfeltets teoretiske evne. Den reelle handlingsevnen gjenspeiler en annen verdi av magnetisk induksjon (B). Det er hun som viser den virkelige kraften som magnetfeltet virker på en leder med en strøm på 1A.
Figur 7
Hvis en strøm på 1A strømmer i en leder 1 m lang, og den skyves ut (tiltrekkes) med en kraft på 1 N (102 G), sier de at størrelsen på den magnetiske induksjonen på dette punktet er nøyaktig 1 Tesla.
Magnetisk induksjon er en vektormengde, i tillegg til den numeriske verdien har den også en retning som alltid sammenfaller med retningen til den testmagnetiske nålen i magnetfeltet som studeres.
Figur 8
Enheten for magnetisk induksjon er Tesla (TL), selv om de i praksis ofte bruker en mindre enhet av Gauss: 1TL = 10.000 G. Er det mye eller litt? Magnetfeltet i nærheten av en kraftig magnet kan nå flere T, nær kompassens magnetiske nål ikke mer enn 100 G, Jordens magnetfelt nær overflaten er omtrent 0,01 G eller enda lavere.
Magnetisk flux
Den magnetiske induksjonsvektoren B karakteriserer magnetfeltet på bare ett punkt i rommet. For å evaluere effekten av et magnetfelt i et bestemt rom, introduseres et annet konsept som magnetisk flux (Φ).
Faktisk representerer det antall linjer med magnetisk induksjon som passerer gjennom et gitt rom, gjennom et område: Φ = B * S * cosα. Dette bildet kan være representert i form av regndråper: en linje er en dråpe (B), og sammen er det magnetisk fluks Φ. Slik kobles magnetiske linjer fra individuelle spolevridninger til en felles strøm.
Figur 9
I SI-systemet blir Weber (Wb) tatt som enheten for magnetisk fluks, en slik fluks oppstår når en induksjon på 1 T virker på et område på 1 kvm.
Magnetkrets
Den magnetiske fluksen i forskjellige enheter (motorer, transformatorer, etc.) passerer som regel på en viss måte, kalt en magnetisk krets eller bare en magnetisk krets. Hvis magnetkretsen er lukket (kjernen i ringtransformatoren), er dens motstand liten, magnetfluksen passerer uhindret, konsentreres inne i kjernen. Figuren nedenfor viser eksempler på spoler med lukkede og åpne magnetiske kretser.
Figur 10
Motstand mot magnetisk krets
Men kjernen kan kuttes og et stykke kan trekkes ut av den, for å lage et magnetisk gap. Dette vil øke den totale magnetiske motstanden til kretsen, redusere magnetisk fluks og generelt redusere induksjonen i hele kjernen.Det er det samme som å lodde mye motstand i en elektrisk krets.
Figur 11
Hvis det resulterende gapet lukkes med et stykke stål, viser det seg at en ekstra seksjon med lavere magnetisk motstand er koblet parallelt med gapet, noe som vil gjenopprette den forstyrrede magnetiske fluksen. Dette ligner veldig på en shunt i elektriske kretser. For øvrig er det også en lov for magnetkretsen, som kalles Ohms lov for magnetkretsen.
Figur 12.
Hoveddelen av magnetfluksen vil gå gjennom magnetisk shunt. Det er dette fenomenet som brukes i magnetisk opptak av lyd- eller videosignaler: det ferromagnetiske laget på båndet dekker gapet i kjernen til magnethodene, og hele magnetfluksen lukkes gjennom båndet.
Retningen til den magnetiske fluksen som genereres av spolen, kan bestemmes ved å bruke regelen til høyre hånd: hvis fire utstrakte fingre indikerer strømretningen i spolen, vil tommelen vise retningen til magnetlinjene, som vist i figur 13.
Figur 13.
Det antas at magnetiske linjer forlater nordpolen og går inn i sør. Derfor indikerer tommelen i dette tilfellet plasseringen av sørpolen. Sjekk om det er slik, kan du igjen bruke kompassnålen.
Hvordan den elektriske motoren fungerer
Det er kjent at elektrisitet kan skape lys og varme, delta i elektrokjemiske prosesser. Etter å ha blitt kjent med det grunnleggende om magnetisme, kan du snakke om hvordan elektriske motorer fungerer.
Elektriske motorer kan ha en veldig annen design, kraft og driftsprinsipp: for eksempel likestrøm, vekselstrøm, trinn eller oppsamler. Men med alle de forskjellige designene, er driftsprinsippet basert på samspillet mellom magnetfeltene til rotoren og statoren.
For å oppnå disse magnetfeltene føres strøm gjennom viklingene. Jo større strøm, og jo høyere magnetisk induksjon av et eksternt magnetfelt, desto kraftigere er motoren. Magnetiske kjerner brukes til å styrke dette feltet, så det er så mange ståldeler i elektriske motorer. Noen DC-motor modeller bruker permanente magneter.
Figur 14
Her kan du si, alt er klart og enkelt: De førte en strøm gjennom ledningen, fikk et magnetfelt. Samhandling med et annet magnetfelt får denne lederen til å bevege seg, og til og med utføre mekanisk arbeid.
Rotasjonsretningen kan bestemmes av regelen om venstre hånd. Hvis fire utstrakte fingre indikerer retningen på strømmen i lederen, og magnetlinjene kommer inn i håndflaten din, vil den bøyde tommelen indikere utkastingsretningen til lederen i et magnetfelt.
Fortsatt: Induktorer og magnetiske felt. Del 2. Elektromagnetisk induksjon og induktans
Se også på elektrohomepro.com
: