Magnetno polje v ravnem vodniku. Magneti in magnetno polje prevodnika s tokom

Magneti so telesa, ki imajo lastnost, da privlačijo železne predmete. Privlačna lastnost, ki jo kažejo magneti, se imenuje magnetizem. Magneti so lahko naravni ali umetni. Izkopane železove rude, ki imajo privlačne lastnosti, se imenujejo naravni magneti, namagneteni kosi kovine pa umetni magneti, pogosto imenovani trajni magneti.

Lastnosti magneta, da privlači železne predmete, so najbolj izrazite na njegovih koncih, ki jih imenujemo magnetni poli in ali preprosto poli. Vsak magnet ima dva pola: severni (N - sever) in južni (S - jug). Črta, ki poteka skozi sredino magneta, se imenuje nevtralna črta ali nevtralna, ker vzdolž te črte ni zaznati nobenih magnetnih lastnosti.

Permanentni magneti tvorijo magnetno polje, v katerem magnetne sile delujejo v določenih smereh, imenovanih silnice. Daljnovodi zapustijo severni pol in vstopijo v južni pol.

Električni tok, ki teče skozi prevodnik, ustvari tudi magnetno polje okoli prevodnika. Ugotovljeno je bilo, da so magnetni pojavi neločljivo povezani z električnim tokom.

Magnetne silnice se nahajajo okoli prevodnika s tokom v krogu, katerega središče je sam vodnik, medtem ko so bližje prevodniku nameščene bolj gosto in dlje od prevodnika - manj pogosto. Položaj magnetnih silnic okoli vodnika, po katerem teče tok, je odvisen od oblike njegovega preseka.

Za določitev smeri poljskih črt uporabite pravilo gimleta, ki je formulirano na naslednji način: če privijete gimlet v smeri toka v vodniku, potem vrtenje ročaja gimlet bo pokazal smer magnetnih silnic.

Magnetno polje ravnega prevodnika je niz koncentričnih krogov (slika 157, A). Za povečanje magnetnega polja v prevodniku je slednji izdelan v obliki tuljave (slika 157, b).

če smer vrtenja ročaja gimleta sovpada s smerjo električnega toka v zavojih tuljave, potem je gibanje gimleta naprej usmerjeno proti severnemu polu.


Magnetno polje tuljave s tokom je podobno polju trajnega magneta, zato ima tuljava (solenoid) s tokom vse lastnosti magneta.

Tudi tukaj je smer silnic magnetnega polja okoli vsakega zavoja tuljave določena s pravilom gimleta. Polne črte sosednjih ovojev se seštevajo in tako povečajo celotno magnetno polje tuljave. Kot izhaja iz sl. 158, magnetne silnice tuljave izstopajo z enega konca in vstopajo na drugega ter se zaprejo v tuljavo. Tuljava, tako kot trajni magneti, ima polarnost (južni in severni pol), ki je prav tako določena s pravilom gimleta, če je navedeno takole: če smer vrtenja ročaja gimleta sovpada s smerjo električnega toka v zavojih tuljave, potem je gibanje gimleta naprej usmerjeno proti severnemu polu.

Za karakterizacijo magnetnega polja s kvantitativne strani je bil uveden koncept magnetne indukcije.

Magnetna indukcija je število magnetnih silnic na 1 cm 2 (ali 1 m 2) površine, ki je pravokotna na smer silnic. V sistemu SI se magnetna indukcija meri v teslu (skrajšano T) in jo označujemo s črko IN(tesla = weber/m2 = volt sekunda/m2

Weber je merska enota magnetnega pretoka.

Magnetno polje lahko okrepimo tako, da v tuljavo vstavimo železno palico (jedro). Prisotnost železnega jedra poveča polje, saj je železno jedro v magnetnem polju tuljave magnetizirano, ustvari svoje polje, ki se doda prvotnemu in se stopnjuje. Takšna naprava se imenuje elektromagnet.

Skupno število silnic, ki potekajo skozi prečni prerez jedra, se imenuje magnetni pretok. Velikost magnetnega pretoka elektromagneta je odvisna od toka, ki teče skozi tuljavo (navitje), števila obratov in upora magnetnega vezja.

Magnetno vezje ali magnetno vezje je pot, po kateri so sklenjene magnetne silnice. Magnetni upor magnetnega jedra je odvisen od magnetne prepustnosti medija, skozi katerega potekajo daljnovodi, dolžine teh vodov in preseka jedra.

Zmnožek toka, ki teče skozi navitje, in števila njegovih ovojev se imenuje magnetomotorna sila (mf s). Magnetni pretok je enak magnetomotorni sili, deljeni z magnetnim uporom vezja- tako je oblikovan Ohmov zakon za magnetno vezje. Ker sta število ovojev in magnetni upor za dani elektromagnet stalni vrednosti, lahko magnetni tok elektromagneta spremenimo s prilagajanjem toka v njegovem navitju.

Elektromagneti najdejo najširšo uporabo v različnih strojih in napravah (električni stroji, električni zvonci, telefoni, merilni instrumenti itd.).

Če pripeljete magnetno iglo do ravnega prevodnika, po katerem teče električni tok, bo ta težila k temu, da postane pravokotna na ravnino, ki poteka skozi os prevodnika in središče vrtenja igle. To pomeni, da je igla podvržena posebnim silam, imenovanim magnetne sile. Poleg vpliva na magnetno iglo magnetno polje vpliva na premikajoče se nabite delce in vodnike s tokom, ki se nahajajo v magnetnem polju. V vodnikih, ki se gibljejo v magnetnem polju, ali v mirujočih vodnikih, ki se nahajajo v izmeničnem magnetnem polju, pride do induktivne emisije. d.s.

V skladu z zgornjim lahko podamo naslednjo definicijo magnetnega polja.

Magnetno polje je ena od dveh strani elektromagnetnega polja, ki ga vzbujajo električni naboji gibajočih se delcev in spremembe v električnem polju ter za katerega je značilen učinek sile na premikajoče se nabite delce in s tem na električne tokove.

Če debel vodnik napeljemo skozi karton in skozi njega spustimo električni tok, se bodo jekleni opilki, ki so nasuti na karton, nahajali okoli prevodnika v koncentričnih krogih, ki so v tem primeru tako imenovane magnetne indukcijske črte (slika 78). ). Karton lahko premikamo gor ali dol po prevodniku, vendar se lokacija jeklenih opilkov ne bo spremenila. Posledično nastane magnetno polje okrog vodnika po vsej njegovi dolžini.

Če na karton postavite majhne magnetne puščice, lahko s spremembo smeri toka v prevodniku vidite, da se bodo magnetne puščice vrtele (slika 79). To kaže, da se smer črt magnetne indukcije spreminja s smerjo toka v prevodniku.

Magnetne indukcijske črte okoli vodnika, po katerem teče tok, imajo naslednje lastnosti: 1) magnetne indukcijske črte ravnega prevodnika imajo obliko koncentričnih krogov; 2) bližje prevodniku, gostejše so črte magnetne indukcije; 3) magnetna indukcija (intenzivnost polja) je odvisna od velikosti toka v prevodniku; 4) smer črt magnetne indukcije je odvisna od smeri toka v prevodniku.

Smer magnetnih indukcijskih linij okoli vodnika, po katerem teče tok, je mogoče določiti s "pravilom gimleta:". Če se gimlet (zamašek) z desnim navojem premika translatorno v smeri toka, potem bo smer vrtenja ročaja sovpadala s smerjo magnetnih indukcijskih linij okoli prevodnika (slika 81),

Magnetna igla, vnesena v polje prevodnika s tokom, se nahaja vzdolž magnetnih indukcijskih linij. Zato lahko za določitev njegove lokacije uporabite tudi "pravilo gimleta" (slika 82). Magnetno polje je ena najpomembnejših manifestacij električnega toka in ne more biti

Pridobljeno neodvisno in ločeno od toka. Za magnetno polje je značilen vektor magnetne indukcije, ki ima torej določeno velikost in določeno smer v prostoru.

Kvantitativni izraz za magnetno indukcijo sta kot rezultat posplošitve eksperimentalnih podatkov postavila Biot in Savart (slika 83). Z merjenjem magnetnih polj električnih tokov različnih velikosti in oblik z odklonom magnetne igle sta oba znanstvenika prišla do zaključka, da vsak tokovni element na določeni razdalji od sebe ustvarja magnetno polje, katerega magnetna indukcija AB je premo sorazmerna z dolžina A1 tega elementa, velikost tekočega toka I, sinusni kot a med smerjo toka in vektorjem polmera, ki povezuje točko polja, ki nas zanima, z danim elementom toka, in je obratno sorazmeren s kvadratom dolžina tega polmernega vektorja r:

henry (h) - enota induktivnosti; 1 gn = 1 ohm s.

- relativna magnetna prepustnost - brezdimenzijski koeficient, ki kaže, kolikokrat je magnetna prepustnost določenega materiala večja od magnetne prepustnosti praznine. Razsežnost magnetne indukcije je mogoče najti s formulo

Volt-sekunda se drugače imenuje Weber (vb):

V praksi obstaja manjša enota magnetne indukcije - gauss (gs):

Biotov in Savartov zakon nam omogoča, da izračunamo magnetno indukcijo neskončno dolgega ravnega prevodnika:

kjer je razdalja od vodnika do točke, kjer je določena

Magnetna indukcija. Razmerje med magnetno indukcijo in produktom magnetnih prepustnosti imenujemo jakost magnetnega polja in ga označujemo s črko H:

Zadnja enačba povezuje dve magnetni količini: indukcijo in jakost magnetnega polja. Poiščimo dimenzijo H:

Včasih uporabljajo še eno enoto napetosti - oersted (er):

1 er = 79,6 a/m = 0,796 a/cm.

Magnetna poljska jakost H je tako kot magnetna indukcija B vektorska količina.

Premica, ki se dotika vsake točke in sovpada s smerjo vektorja magnetne indukcije, se imenuje črta magnetne indukcije ali črta magnetne indukcije.

Produkt magnetne indukcije in velikosti površine, pravokotne na smer polja (vektor magnetne indukcije), se imenuje pretok vektorja magnetne indukcije ali preprosto magnetni pretok in je označen s črko F:

Dimenzija magnetnega pretoka:

tj. magnetni pretok se meri v volt-sekundah ali weberjih. Manjša enota magnetnega pretoka je maxwell (µs):

1 wb = 108 µs. 1 μs = 1 gf cm2.

Če magnetno iglo približamo ravnemu vodniku, po katerem teče tok, bo težila k temu, da postane pravokotna na ravnino, ki poteka skozi os prevodnika in središče vrtenja igle (slika 67). To pomeni, da je igla podvržena posebnim silam, imenovanim magnetne sile. Z drugimi besedami, če električni tok teče skozi prevodnik, se okoli prevodnika pojavi magnetno polje. Magnetno polje lahko obravnavamo kot posebno stanje prostora, ki obkroža vodnike s tokom.

Če debel vodnik napeljemo skozi kartico in skoznjo spustimo električni tok, se bodo okoli prevodnika v koncentričnih krogih nahajali jekleni opilki, nasuti na karton, ki v tem primeru predstavljajo tako imenovane magnetne črte (slika 68). . Karton lahko premikamo gor ali dol po prevodniku, vendar se lokacija jeklenih opilkov ne bo spremenila. Posledično nastane magnetno polje okrog vodnika po vsej njegovi dolžini.

Če na karton postavite majhne magnetne puščice, lahko s spremembo smeri toka v prevodniku vidite, da se bodo magnetne puščice vrtele (slika 69). To kaže, da se smer magnetnih linij spreminja s spremembo smeri toka v prevodniku.

Magnetno polje okrog vodnika, po katerem teče tok, ima naslednje značilnosti: magnetne črte ravnega prevodnika imajo obliko koncentričnih krogov; čim bližje prevodniku, čim gostejše so magnetne črte, večja je magnetna indukcija; magnetna indukcija (intenzivnost polja) je odvisna od velikosti toka v prevodniku; Smer magnetnih linij je odvisna od smeri toka v prevodniku.

Za prikaz smeri toka v prevodniku, prikazanem v odseku, je bil sprejet simbol, ki ga bomo uporabljali v prihodnje. Če miselno postavite puščico v vodnik v smeri toka (slika 70), potem bomo v prevodniku, v katerem je tok usmerjen stran od nas, videli rep perja puščice (križ); če je tok usmerjen proti nam, bomo videli konico puščice (konico).

Smer magnetnih linij okoli vodnika, po katerem teče tok, je mogoče določiti s "pravilom gimleta". Če se gimlet (zamašek) z desnim navojem premakne naprej v smeri toka, potem bo smer vrtenja ročaja sovpadala s smerjo magnetnih linij okoli vodnika (slika 71).


riž. 71. Določanje smeri magnetnih linij okoli prevodnika s tokom z uporabo "pravila gimleta"

Magnetna igla, vnesena v polje prevodnika s tokom, se nahaja vzdolž magnetnih linij. Zato lahko za določitev njegove lokacije uporabite tudi "pravilo gimleta" (slika 72).


riž. 72. Določitev smeri odklona magnetne igle, pripeljane do prevodnika s tokom, po "pravilu gimleta"

Magnetno polje je ena najpomembnejših manifestacij električnega toka in ga ni mogoče pridobiti neodvisno in ločeno od toka.

Pri trajnih magnetih magnetno polje povzroča tudi gibanje elektronov, ki sestavljajo atome in molekule magneta.

Intenzivnost magnetnega polja na vsaki točki je določena z velikostjo magnetne indukcije, ki je običajno označena s črko B. Magnetna indukcija je vektorska količina, kar pomeni, da je označena ne le z določeno vrednostjo, temveč tudi z določeno smer na vsaki točki magnetnega polja. Smer vektorja magnetne indukcije sovpada s tangento na magnetno črto v dani točki polja (slika 73).

Kot rezultat posploševanja eksperimentalnih podatkov sta francoska znanstvenika Biot in Savard ugotovila, da je magnetna indukcija B (intenzivnost magnetnega polja) na razdalji r od neskončno dolgega ravnega prevodnika s tokom določena z izrazom


kjer je r polmer krožnice, narisane skozi obravnavano točko polja; središče kroga je na osi vodnika (2πr je obseg);

I je količina toka, ki teče skozi prevodnik.

Vrednost μ a, ki označuje magnetne lastnosti medija, se imenuje absolutna magnetna prepustnost medija.

Za praznino ima absolutna magnetna prepustnost najmanjšo vrednost in jo običajno označimo z μ 0 ter imenujemo absolutna magnetna prepustnost praznine.


1 H = 1 ohm⋅sek.

Razmerje μ a / μ 0, ki kaže, kolikokrat je absolutna magnetna prepustnost danega medija večja od absolutne magnetne prepustnosti praznine, se imenuje relativna magnetna prepustnost in se označuje s črko μ.

Mednarodni sistem enot (SI) uporablja merske enote magnetne indukcije B – tesla ali weber na kvadratni meter (tl, wb/m2).

V inženirski praksi se magnetna indukcija običajno meri v gaussih (gs): 1 t = 10 4 gs.

Če so v vseh točkah magnetnega polja vektorji magnetne indukcije enaki po velikosti in vzporedni drug z drugim, se takšno polje imenuje enotno.

Produkt magnetne indukcije B in območja S, pravokotnega na smer polja (vektor magnetne indukcije), se imenuje tok vektorja magnetne indukcije ali preprosto magnetni tok in je označen s črko Φ (slika 74):

Mednarodni sistem uporablja weber (wb) kot mersko enoto za magnetni pretok.

V inženirskih izračunih se magnetni pretok meri v maxwellih (μs):

1 vb = 10 8 μs.

Pri izračunu magnetnih polj se uporablja tudi količina, imenovana jakost magnetnega polja (označena z H). Magnetna indukcija B in magnetna poljska jakost H sta povezani z razmerjem

Merska enota za jakost magnetnega polja je N - amper na meter (a/m).

Moč magnetnega polja v homogenem mediju, kot tudi magnetna indukcija, sta odvisna od velikosti toka, števila in oblike vodnikov, skozi katere teče tok. Toda za razliko od magnetne indukcije, jakost magnetnega polja ne upošteva vpliva magnetnih lastnosti medija.

Ko tok teče skozi ravni vodnik, se okoli njega pojavi magnetno polje (slika 26). Magnetne silnice tega polja se nahajajo v koncentričnih krogih, v središču katerih je vodnik s tokom.

n
Smer magnetnih silnic je mogoče določiti s pravilom gimlet. Če gibanje gimleta naprej (slika 27) poravnati s smerjo toka v prevodniku, bo vrtenje njegovega ročaja pokazalo smer silnic magnetnega polja okoli prevodnika. Večji kot je tok, ki teče skozi prevodnik, močnejše je magnetno polje, ki nastane okoli njega. Ko se smer toka spremeni, se spremeni tudi magnetno polje.

Ko se oddaljite od prevodnika, so črte magnetnega polja manj pogoste.

Metode krepitve magnetnih polj. Za pridobitev močnih magnetnih polj pri nizkih tokovih običajno povečajo število prevodnikov s tokom in jih naredijo v obliki niza zavojev; takšna naprava se imenuje tuljava.

Z vodnikom, upognjenim v obliki tuljave (slika 28, a), bodo imela magnetna polja, ki jih tvorijo vsi deli tega prevodnika, enako smer znotraj tuljave. Zato bo intenzivnost magnetnega polja znotraj tuljave večja kot okoli ravnega prevodnika. Pri združevanju se spremeni v tuljavo, magnetna polja, s
ki jih ustvarijo posamezni zavoji, se seštejejo (sl. 28, b) in njihove silnice so povezane v skupni magnetni tok. V tem primeru se poveča koncentracija silnic znotraj tuljave, to je, da se magnetno polje v njej okrepi. Večji kot je tok skozi tuljavo in več ovojev je v njej, močnejše je magnetno polje, ki ga ustvari tuljava.

Tuljava, po kateri teče tok, je umetni električni magnet. Za povečanje magnetnega polja je v tuljavo vstavljeno jekleno jedro; takšna naprava se imenuje elektromagnet.

O

Smer magnetnega polja, ki ga ustvari zavoj ali tuljava, lahko določite tudi z desno roko (slika 29) in vrtalko (slika 30).

18. Magnetne lastnosti različnih snovi.

Vse snovi glede na njihove magnetne lastnosti delimo v tri skupine: feromagnetne, paramagnetne in diamagnetne.

Feromagnetni materiali vključujejo železo, kobalt, nikelj in njihove zlitine. Imajo visoko magnetno prepustnost µ in dobro privlačijo magneti in elektromagneti.

Paramagnetni materiali vključujejo aluminij, kositer, krom, mangan, platino, volfram, raztopine železovih soli itd. Paramagnetne materiale privlačijo magneti in elektromagneti mnogokrat šibkeje kot feromagnetni materiali.

Diamagnetnih materialov magneti ne privlačijo, ampak nasprotno, odbijajo. Sem spadajo baker, srebro, zlato, svinec, cink, smola, voda, večina plinov, zrak itd.

Magnetne lastnosti feromagnetnih materialov. Feromagnetni materiali se zaradi svoje sposobnosti magnetiziranja pogosto uporabljajo pri izdelavi električnih strojev, naprav in drugih električnih inštalacij.

Krivulja magnetizacije. Postopek magnetizacije feromagnetnega materiala lahko prikažemo v obliki krivulje magnetizacije (slika 31), ki predstavlja odvisnost indukcije IN od napetosti n magnetno polje (iz magnetizacijskega toka jaz ).

Krivuljo magnetizacije lahko razdelimo na tri dele: ooh , pri kateri se magnetna indukcija poveča skoraj sorazmerno z magnetnim tokom; a-b , pri kateri se rast magnetne indukcije upočasni, in območje magnetne nasičenosti za točko b , kjer je s zasvojenost IN od n ponovno postane linearen, vendar je zanj značilno počasno naraščanje magnetne indukcije z naraščajočo jakostjo polja.

p
Remagnetizacija feromagnetnih materialov, histerezna zanka. Zelo praktičnega pomena, zlasti pri električnih strojih in napeljavah z izmeničnim tokom, je proces magnetizacije feromagnetnih materialov. Na sl. Slika 32 prikazuje graf sprememb indukcije med magnetizacijo in demagnetizacijo feromagnetnega materiala (s spremembo toka magnetiziranja jaz . Kot je razvidno iz tega grafa, je pri enakih vrednostih jakosti magnetnega polja magnetna indukcija, dobljena z razmagnetenjem feromagnetnega telesa (odsek a B C ), bo med magnetizacijo več indukcije (odseki ooh in ja ). Ko je tok magnetiziranja na nič, se indukcija v feromagnetnem materialu ne bo zmanjšala na nič, ampak bo ohranila določeno vrednost IN r , ki ustreza segmentu O tem . Ta vrednost se imenuje rezidualna indukcija.

Pojav zakasnitve ali zamude pri spremembah magnetne indukcije od ustreznih sprememb jakosti magnetnega polja se imenuje magnetna histereza, ohranjanje magnetnega polja v feromagnetnem materialu po tem, ko magnetizacijski tok preneha teči, pa se imenuje magnetna histereza. preostali magnetizem.

p
S spremembo smeri magnetizirajočega toka lahko popolnoma razmagnetite feromagnetno telo in spravite magnetno indukcijo v njem na nič. Povratna napetost n z , pri kateri se indukcija v feromagnetnem materialu zmanjša na nič, imenujemo prisilna sila. krivulja ooh , dobljeno pod pogojem, da je bila feromagnetna snov predhodno razmagnetena, se imenuje začetna magnetizacijska krivulja. Krivulja spremembe indukcije se imenuje histerezna zanka.

Vpliv feromagnetnih materialov na porazdelitev magnetnega polja. Če katero koli telo iz feromagnetnega materiala postavite v magnetno polje, bodo magnetne silnice vstopale in izstopale vanj pod pravim kotom. V samem telesu in v njegovi bližini bo prišlo do kondenzacije silnic polja, to je, da se bo indukcija magnetnega polja v telesu in v njegovi bližini povečala. Če naredite feromagnetno telo v obliki obroča, potem magnetne silnice praktično ne bodo prodrle v njegovo notranjo votlino (slika 33) in obroč bo služil kot magnetni ščit, ki ščiti notranjo votlino pred vplivom magnetnega polja. . Ta lastnost feromagnetnih materialov je osnova za delovanje različnih zaslonov, ki ščitijo električne merilne instrumente, električne kable in druge električne naprave pred škodljivimi vplivi zunanjih magnetnih polj.

Predavanje: Oerstedova izkušnja. Magnetno polje prevodnika s tokom. Slika poljskih črt dolgega ravnega vodnika in prevodnika sklenjenega obroča, tuljava s tokom


Oerstedova izkušnja


Magnetne lastnosti nekaterih snovi so ljudem znane že dolgo. Vendar pa je bilo novejše odkritje, da sta magnetna in električna narava snovi medsebojno povezani. Ta povezava je bila prikazana Oersted, ki je izvajal poskuse z električnim tokom. Povsem po naključju je poleg vodnika, po katerem je tekel tok, magnet. Med tekom toka po žicah je močno spremenil svojo smer in se vrnil v prvotni položaj, ko je bil ključ odprt.


Iz tega poskusa je bilo ugotovljeno, da okoli vodnika, po katerem teče tok, nastane magnetno polje. To pomeni, da lahko storite sklep: Električno polje povzročajo vsi naboji, magnetno polje pa le okoli nabojev, ki imajo usmerjeno gibanje.


Magnetno polje prevodnika


Če upoštevamo presek prevodnika s tokom, bodo imele njegove magnetne črte kroge različnih premerov okoli prevodnika.


Če želite določiti smer toka ali magnetnih silnic okoli prevodnika, uporabite pravilo desni vijak:

Če z desno roko primete vodnik in s palcem usmerite vzdolž njega v smeri toka, bodo upognjeni prsti pokazali smer silnic magnetnega polja.


Jakostna značilnost magnetnega polja je magnetna indukcija. Včasih se črte magnetnega polja imenujejo indukcijske črte.

Indukcija je označena in izmerjena na naslednji način: [V] = 1 T.


Kot se morda spomnite, je za silo, značilno za električno polje, veljalo načelo superpozicije, enako velja za magnetno polje. To pomeni, da je nastala indukcija polja enaka vsoti vektorjev indukcije v vsaki točki.


Trenutna tuljava


Kot veste, imajo lahko vodniki različne oblike, vključno z več zavoji. Okrog takega vodnika nastane tudi magnetno polje. Če ga želite določiti, morate uporabiti Gimletovo pravilo:


Če z roko primete tuljave, tako da jih oklenejo 4 upognjeni prsti, bo palec pokazal smer magnetnega polja.



 

Morda bi bilo koristno prebrati: