Nxjerrja e formulave për induksionin e një fushe solenoide të krijuar nga rryma alternative. Solenoid
Një fushë magnetike lind rreth çdo përcjellësi, pavarësisht nga forma e tij, me kusht që një rrymë elektrike të kalojë nëpër përcjellës.
Në inxhinierinë elektrike kemi të bëjmë me lloje të ndryshme të mbështjellësve që përbëhen nga një numër kthesash. Për të studiuar fushën magnetike të spirales që na intereson, së pari le të shqyrtojmë se çfarë forme ka fusha magnetike e një kthese.
Le të imagjinojmë një spirale me tela të trashë që shpon një fletë kartoni dhe lidhet me një burim rrymë. Kur një rrymë elektrike kalon nëpër një spirale, një fushë magnetike rrethore formohet rreth çdo pjese individuale të spirales. Sipas rregullit "gimlet", nuk është e vështirë të përcaktohet se linjat magnetike të forcës brenda spirales kanë të njëjtin drejtim (drejt nesh ose larg nesh, në varësi të drejtimit të rrymës në spirale) dhe ato dalin. nga njëra anë e spirales dhe futeni në anën tjetër. Një seri kthesash të tilla, të formuara si një spirale, janë të ashtuquajturat solenoid (spiralja).
Rreth solenoidit, kur rryma kalon nëpër të, formohet një fushë magnetike. Përftohet si rezultat i shtimit të fushave magnetike të çdo kthese dhe ka formë si fusha magnetike e një magneti drejtvizor. Vijat e forcës së fushës magnetike të solenoidit, si në një magnet drejtvizor, largohen nga një skaj i solenoidit dhe kthehen në tjetrin. Brenda solenoidit kanë të njëjtin drejtim. Kështu, skajet e solenoidit kanë polaritet. Fundi nga i cili dalin linjat e forcës është Poli i Veriut solenoid, dhe fundi në të cilin hyjnë linjat e energjisë është i tij poli jugor.
Polet e solenoidit mund të përcaktohen nga rregulli i dorës së djathtë, por për këtë ju duhet të dini drejtimin e rrymës në kthesat e saj. Nëse vendosni dorën tuaj të djathtë në solenoid, pëllëmbën poshtë, në mënyrë që rryma të duket se del nga gishtat, atëherë gishti i madh i përkulur do të tregojë polin verior të solenoidit. Nga ky rregull del se polariteti i solenoidit varet nga drejtimi i rrymës në të. Nuk është e vështirë ta verifikosh këtë praktikisht duke sjellë një gjilpërë magnetike në një nga polet e solenoidit dhe më pas duke ndryshuar drejtimin e rrymës në solenoid. Shigjeta do të rrotullohet menjëherë 180°, domethënë do të tregojë se polet e solenoidit kanë ndryshuar.
Solenoidi ka vetinë e tërheqjes së objekteve të lehta prej hekuri në vetvete. Nëse një shufër çeliku vendoset brenda solenoidit, atëherë pas njëfarë kohe, nën ndikimin e fushës magnetike të solenoidit, shufra do të magnetizohet. Kjo metodë përdoret në prodhimin e magneteve të përhershëm.
Elektromagnetët
Një elektromagnet është një spirale (solenoid) me një bërthamë hekuri të vendosur brenda saj. Format dhe madhësitë e elektromagneteve janë të ndryshme, por struktura e përgjithshme e të gjithëve është e njëjtë.
Bobina e elektromagnetit është një kornizë, më së shpeshti e bërë nga druri i shtypur ose fibra dhe ka forma të ndryshme në varësi të qëllimit të elektromagnetit. Korniza është e mbështjellë në disa shtresa të telit të izoluar të bakrit - dredha-dredha e elektromagnetit. Ka një numër të ndryshëm kthesash dhe është bërë nga tela me diametra të ndryshëm, në varësi të qëllimit të elektromagnetit.
Për të mbrojtur izolimin e mbështjelljes nga dëmtimet mekanike, mbështjellja mbulohet me një ose disa shtresa letre ose ndonjë material tjetër izolues. Fillimi dhe fundi i mbështjelljes nxirren jashtë dhe lidhen me terminalet dalëse të montuara në kornizë ose me përçues fleksibël me priza në skajet.
Bobina e elektromagnetit është montuar në një bërthamë prej hekuri të butë, të pjekur ose lidhje hekuri me silikon, nikel, etj. Një hekur i tillë ka më pak magnetizëm të mbetur. Bërthamat janë bërë më shpesh nga fletë të holla të përbëra të izoluara nga njëra-tjetra. Format e bërthamave mund të jenë të ndryshme, në varësi të qëllimit të elektromagnetit.
Nëse një rrymë elektrike kalon nëpër mbështjelljen e një elektromagneti, rreth mbështjelljes formohet një fushë magnetike, e cila magnetizon bërthamën. Meqenëse bërthama është prej hekuri të butë; atëherë ai do të magnetizohet në çast. Nëse më pas fikni rrymën, vetitë magnetike të bërthamës gjithashtu do të zhduken shpejt dhe ajo do të pushojë së qeni një magnet. Polet e një elektromagneti, si një solenoid, përcaktohen nga rregulli i dorës së djathtë. Nëse drejtimi i rrymës në mbështjelljen e një elektromagneti ndryshohet, atëherë polariteti i elektromagnetit do të ndryshojë në përputhje me rrethanat.
Veprimi i një elektromagneti është i ngjashëm me veprimin e një magneti të përhershëm. Megjithatë, ka një dallim të madh mes tyre. Një magnet i përhershëm ka gjithmonë veti magnetike, dhe një elektromagnet vetëm kur një rrymë elektrike kalon nëpër mbështjelljen e tij.
Për më tepër, forca tërheqëse e një magneti të përhershëm është konstante, pasi fluksi magnetik i një magneti të përhershëm është konstant. Forca e tërheqjes së një elektromagneti nuk është një vlerë konstante. I njëjti elektromagnet mund të ketë forca të ndryshme tërheqëse. Forca tërheqëse e çdo magneti varet nga madhësia e fluksit të tij magnetik.
Forca e tërheqjes së një elektromagneti, dhe rrjedhimisht fluksi i tij magnetik, varet nga sasia e rrymës që kalon nëpër mbështjelljen e këtij elektromagneti. Sa më e madhe të jetë rryma, aq më e madhe është forca tërheqëse e elektromagnetit dhe, anasjelltas, sa më pak rrymë në mbështjelljen e elektromagnetit, aq më pak forcë tërheq trupat magnetikë në vetvete.
Por për elektromagnetët që janë të ndryshëm në strukturë dhe madhësi, forca e tyre tërheqëse varet jo vetëm nga madhësia e rrymës në dredha-dredha. Nëse, për shembull, marrim dy elektromagnetë të të njëjtit dizajn dhe madhësi, por njëri me një numër të vogël rrotullimesh dredha-dredha dhe tjetri me një numër shumë më të madh, atëherë është e lehtë të shihet se në të njëjtën rrymë forca tërheqëse e kjo e fundit do të jetë shumë më e madhe. Në të vërtetë, sa më i madh të jetë numri i rrotullimeve të një dredha-dredha, aq më e madhe është fusha magnetike e krijuar rreth kësaj dredha-dredha në një rrymë të caktuar, pasi ajo përbëhet nga fushat magnetike të çdo kthese. Kjo do të thotë se fluksi magnetik i elektromagnetit, dhe për rrjedhojë forca e tërheqjes së tij, do të jetë më i madh, aq më i madh është numri i kthesave që ka mbështjellja.
Ekziston një arsye tjetër që ndikon në madhësinë e fluksit magnetik të një elektromagneti. Kjo është cilësia e qarkut të tij magnetik. Një qark magnetik është rruga përgjatë së cilës mbyllet fluksi magnetik. Qarku magnetik ka një të caktuar rezistencë magnetike. Rezitimi magnetik varet nga përshkueshmëria magnetike e mediumit nëpër të cilin kalon fluksi magnetik. Sa më e madhe të jetë përshkueshmëria magnetike e këtij mediumi, aq më e ulët është rezistenca e tij magnetike.
Meqenëse përshkueshmëria magnetike e trupave feromagnetikë (hekuri, çeliku) është shumë herë më e madhe se përshkueshmëria magnetike e ajrit, prandaj është më e dobishme të bëhen elektromagnet në mënyrë që qarku i tyre magnetik të mos përmbajë seksione ajri. Produkti i fuqisë aktuale dhe numri i rrotullimeve të mbështjelljes së elektromagnetit quhet forca magnetomotore. Forca magnetomotore matet në numrin e rrotullimeve të amperit.
Për shembull, një rrymë prej 50 mA kalon nëpër mbështjelljen e një elektromagneti me 1200 kthesa. Forca magnetomotore e një elektromagneti të tillë është 0,05 x 1200 = 60 amper-kthesa.
Veprimi i forcës magnetomotore është i ngjashëm me veprimin e forcës elektromotore në një qark elektrik. Ashtu si EMF shkakton rrymë elektrike, forca magnetomotive krijon fluks magnetik në një elektromagnet. Ashtu si në një qark elektrik, me rritjen e emf, rritet vlera e rrymës, ashtu edhe në një qark magnetik, me rritjen e forcës magnetomotore, rritet edhe fluksi magnetik.
Veprimi rezistencë magnetike i ngjashëm me veprimin e rezistencës elektrike në një qark. Ashtu si rryma zvogëlohet me rritjen e rezistencës së një qarku elektrik, po ashtu zvogëlohet rryma në një qark magnetik. Një rritje në rezistencën magnetike shkakton një ulje të fluksit magnetik.
Varësia e fluksit magnetik të një elektromagneti nga forca magnetomotore dhe rezistenca e tij magnetike mund të shprehet me një formulë të ngjashme me formulën e ligjit të Ohmit: forca magnetomotore = (fluksi magnetik / rezistenca magnetike)
Solenoid quhet një përcjellës i përdredhur në një spirale përmes së cilës kalon një rrymë elektrike (Figura 1, A).
Nëse i preni mendërisht kthesat e solenoidit, caktoni drejtimin e rrymës në to, siç tregohet më lart, dhe përcaktoni drejtimin e linjave të induksionit magnetik sipas "rregullit gimlet", atëherë fusha magnetike e të gjithë solenoidit do të kanë formën siç tregohet në figurën 1, b.
Figura 1. Solenoid ( A) dhe fusha e saj magnetike ( b)
Figura 2. Modeli kompjuterik i solenoidit
Në boshtin e një solenoidi pafundësisht të gjatë, në secilën njësi të gjatësisë së të cilit është mbështjellë n 0 kthesa, forca e fushës magnetike brenda solenoidit përcaktohet nga formula:
H = I × n 0 .
Në pikën ku vijat magnetike hyjnë në solenoid, formohet një pol jugor dhe ku dalin, formohet një poli verior.
Për të përcaktuar polet e solenoidit, ata përdorin "rregullin gimlet", duke e zbatuar atë si më poshtë: nëse e vendosni gimletin përgjatë boshtit të solenoidit dhe e rrotulloni atë në drejtim të rrymës në kthesat e spirales solenoid, atëherë Lëvizja përkthimore e gjilpërës do të tregojë drejtimin e fushës magnetike (Figura 3).
Video rreth solenoidit:
Elektromagnet
Një solenoid me një bërthamë çeliku (hekuri) brenda quhet elektromagnet(Figura 4 dhe 5). Fusha magnetike e një elektromagneti është më e fortë se ajo e një solenoid, sepse një copë çeliku e futur në solenoid magnetizohet dhe fusha magnetike që rezulton forcohet. Polet e një elektromagneti mund të përcaktohen, ashtu si ato të një solenoid, duke përdorur "rregullin e gimletit".
Figura 5. Bobina elektromagnetike
Elektromagnetët përdoren gjerësisht në teknologji. Ato përdoren për të krijuar një fushë magnetike në gjeneratorët dhe motorët elektrikë, në instrumentet matëse elektrike, pajisjet elektrike dhe të ngjashme.
Në instalimet me fuqi të lartë, në vend të siguresave, përdoren ndërprerës automatikë, vaj dhe ajër për të shkëputur seksionin e dëmtuar të qarkut. Reletë të ndryshme përdoren për të aktivizuar mbështjelljet e fiksimit të ndërprerësve. Reletë janë pajisje ose makina që i përgjigjen ndryshimeve në rrymë, tension, fuqi, frekuencë dhe parametra të tjerë.
Nga numri i madh i releve, të ndryshëm për nga qëllimi, parimi i funksionimit dhe dizajni, do të shqyrtojmë shkurtimisht projektimin e releve elektromagnetike. Figura 6 tregon dizajnet e këtyre releve. Funksionimi i stafetës bazohet në bashkëveprimin e fushës magnetike të krijuar nga një spirale e palëvizshme përmes së cilës kalon rryma dhe armatura e lëvizshme e çelikut të një elektromagneti. Kur kushtet e funksionimit në qarkun kryesor të rrymës ndryshojnë, spiralja e stafetës ngacmohet, fluksi magnetik i bërthamës tërheq (kthehet ose tërheq) armaturën, e cila mbyll kontaktet e qarkut, spiralen e fikjes së ngasjes së çelsave të vajit dhe ajrit. ose reletë ndihmëse.
Figura 6. Rele elektromagnetike
Reletë kanë gjetur aplikim edhe në automatizim dhe telemekanikë.
Fluksi magnetik i një solenoidi (elektromagneti) rritet me numrin e rrotullimeve dhe rrymës në të. Forca magnetizuese varet nga produkti i rrymës dhe numri i rrotullimeve (numri i rrotullimeve të amperit).
Nëse, për shembull, marrim një solenoid, mbështjellja e të cilit bartë një rrymë prej 5 A dhe numri i rrotullimeve të të cilit është 150, atëherë numri i rrotullimeve të amperit do të jetë 5 × 150 = 750. I njëjti fluks magnetik do të fitohet nëse marrim 1500 kthesa dhe kalojmë përmes tyre një rrymë prej 0.5 Ah, meqë 0.5 × 1500 = 750 amper-kthesa.
Fluksi magnetik i solenoidit mund të rritet në mënyrat e mëposhtme: 1) futni një bërthamë çeliku në solenoid, duke e kthyer atë në një elektromagnet; 2) rritni seksionin kryq të bërthamës së çelikut të elektromagnetit (pasi, duke pasur parasysh rrymën, forcën e fushës magnetike, dhe rrjedhimisht induksionin magnetik, një rritje në seksionin kryq çon në një rritje të fluksit magnetik); 3) zvogëloni hendekun e ajrit të bërthamës së elektromagnetit (pasi kur rruga e linjave magnetike nëpër ajër zvogëlohet, rezistenca magnetike zvogëlohet).
Video rreth elektromagnetit:
Solenoid quhet një spirale cilindrike prej teli, kthesat e së cilës janë mbështjellë ngushtë në një drejtim dhe gjatësia e spirales është dukshëm më e madhe se rrezja e kthesës.
Fusha magnetike e një solenoidi mund të përfaqësohet si rezultat i shtimit të fushave të krijuara nga disa rryma rrethore që kanë një bosht të përbashkët. Figura 3 tregon se brenda solenoidit, linjat e induksionit magnetik të çdo kthese individuale kanë të njëjtin drejtim, ndërsa midis kthesave ngjitur ato kanë drejtim të kundërt.
Prandaj, me një dredha-dredha mjaft të dendur të solenoidit, seksionet e drejtuara në mënyrë të kundërt të linjave të induksionit magnetik të kthesave ngjitur shkatërrohen reciprokisht, dhe seksionet e drejtuara në mënyrë të barabartë do të bashkohen në një linjë të zakonshme induksioni magnetik që kalon brenda solenoidit dhe e mbështjell atë nga jashtë. . Studimi i kësaj fushe duke përdorur tallash tregoi se brenda solenoidit fusha është uniforme, vijat magnetike janë vija të drejta paralele me boshtin e solenoidit, të cilat ndryshojnë në skajet e tij dhe mbyllen jashtë solenoidit (Fig. 4).
Është e lehtë të vërehet ngjashmëria midis fushës magnetike të solenoidit (jashtë tij) dhe fushës magnetike të një magneti me shirit të përhershëm (Fig. 5). Fundi i solenoidit nga i cili dalin linjat magnetike është i ngjashëm me polin verior të një magneti N, skaji tjetër i solenoidit, në të cilin hyjnë linjat magnetike, është i ngjashëm me polin jugor të magnetit S.
Polet e një solenoidi me rrymë mund të përcaktohen lehtësisht eksperimentalisht duke përdorur një gjilpërë magnetike. Duke ditur drejtimin e rrymës në spirale, këto pole mund të përcaktohen duke përdorur rregullin e vidës së djathtë: ne rrotullojmë kokën e vidhos së djathtë sipas rrymës në spirale, atëherë lëvizja përkthimore e majës së vidës do të tregojnë drejtimin e fushës magnetike të solenoidit, dhe rrjedhimisht polin e tij verior. Moduli i induksionit magnetik brenda një solenoidi me një shtresë llogaritet me formulë
B = μμ 0 NI l = μμ 0 nl,
Ku Ν - numri i rrotullimeve në solenoid, I- gjatësia e solenoidit, n- numri i rrotullimeve për njësi të gjatësisë së solenoidit.
| Magnetizimi i një magneti. Vektori i magnetizimit. |
|||||||||
Nëse rryma rrjedh nëpër një përcjellës, atëherë rreth përcjellësit krijohet një MF. Ne kemi parë deri më tani telat nëpër të cilët rrymat rrodhën në vakum. Nëse telat që mbajnë rrymë janë në ndonjë medium, atëherë m.p. ndryshimet. Kjo shpjegohet me faktin se nën ndikimin e m.p. çdo substancë është në gjendje të përvetësojë një moment magnetik, ose të magnetizohet (substanca bëhet magnetike). Substancat që magnetizohen në mp. kundër drejtimit të fushës quhen materiale diamagnetike. Substancat që magnetizohen dobët në fushën e jashtme magnetike. në drejtim të fushës quhen materialet paramagnetike Substanca e magnetizuar krijon një fushë magnetike. - , kjo është m.p. mbivendosur në m.p., të shkaktuara nga rrymat - . Atëherë fusha që rezulton është:
Fusha e vërtetë (mikroskopike) në një magnet ndryshon shumë brenda distancave ndërmolekulare. - fushë makroskopike mesatare. Për shpjegim magnetizimi trupat Ampere sugjeroi që rrymat mikroskopike rrethore qarkullojnë në molekulat e një substance, të shkaktuara nga lëvizja e elektroneve në atome dhe molekula. Çdo rrymë e tillë ka një moment magnetik dhe krijon një fushë magnetike në hapësirën përreth. Nëse nuk ka fushë të jashtme, atëherë rrymat molekulare janë të orientuara rastësisht, dhe fusha që rezulton për shkak të tyre është e barabartë me 0. Magnetizimi është një sasi vektoriale e barabartë me momentin magnetik të një njësie vëllimi të një magneti:
ku merret një vëllim fizikisht pafundësisht i vogël në afërsi të pikës në shqyrtim; - momenti magnetik i një molekule individuale. Përmbledhja kryhet mbi të gjitha molekulat që përmbahen në vëllim (kujtoni ku, - polarizimi dielektrike, - element dipol ). Magnetizimi mund të përfaqësohet si më poshtë: Rrymat magnetizuese I". Magnetizimi i një substance shoqërohet me orientimin preferencial të momenteve magnetike të molekulave individuale në një drejtim. Quhen rrymat rrethore elementare që lidhen me secilën molekulë molekulare. Rrymat molekulare rezultojnë të jenë të orientuara, d.m.th. lindin rryma magnetizuese - . Rrymat që rrjedhin nëpër tela për shkak të lëvizjes së bartësve të rrymës në substancë quhen rryma përcjellëse -. Për një elektron që lëviz në një orbitë rrethore në drejtim të akrepave të orës; rryma drejtohet në drejtim të kundërt të akrepave të orës dhe, sipas rregullit të vidës së djathtë, drejtohet vertikalisht lart. Qarkullimi i vektorit të magnetizimit përgjatë një konture të mbyllur arbitrare është e barabartë me shumën algjebrike të rrymave magnetizuese të mbuluara nga kontura G. Forma diferenciale e shkrimit të teoremës së qarkullimit të vektorit. Forca e fushës magnetike (përcaktimi standard N) është një sasi fizike vektoriale e barabartë me diferencën në vektorin e induksionit magnetik B dhe vektori i magnetizimit M. Në SI: Në rastin më të thjeshtë të një mjedisi izotropik (përsa i përket vetive magnetike) dhe në përafrimin e frekuencave mjaft të ulëta të ndryshimeve të fushës B Dhe H thjesht proporcionale me njëra-tjetrën, që ndryshojnë thjesht nga një faktor numerik (në varësi të mjedisit) B = μ H në sistem GHS ose B = μ 0 μ H në sistem SI(cm. Përshkueshmëria magnetike, shih gjithashtu Ndjeshmëria magnetike). Në sistem GHS Forca e fushës magnetike matet në Oerstedach(E), në sistemin SI - në amper për metër(Jam). Në teknologji, oersted gradualisht po zëvendësohet nga njësia SI - amper për metër. 1 E = 1000/(4π) A/m ≈ 79,5775 A/m. 1 A/m = 4π/1000 Oe ≈ 0,01256637 Oe. Kuptimi fizikNë një vakum (ose në mungesë të një mediumi të aftë për polarizim magnetik, si dhe në rastet kur ky i fundit është i papërfillshëm), forca e fushës magnetike përkon me vektorin e induksionit magnetik deri në një koeficient të barabartë me 1 në CGS dhe μ 0 në SI. NË magnete(mjediset magnetike) forca e fushës magnetike ka kuptimin fizik të një fushe "të jashtme", domethënë përkon (ndoshta, në varësi të njësive matëse të miratuara, brenda një koeficienti konstant, si në sistemin SI, i cili bën mos e ndryshoni kuptimin e përgjithshëm) me një induksion të tillë magnetik vektor, i cili "do të ekzistonte nëse nuk do të kishte magnet". Për shembull, nëse fusha krijohet nga një spirale me rrymë në të cilën është futur një bërthamë hekuri, atëherë forca e fushës magnetike H brenda bërthamës përkon (në GHS saktësisht, dhe në SI - deri në një koeficient dimensional konstant) me vektorin B 0, e cila do të krijohej nga kjo spirale në mungesë të një bërthame dhe e cila, në parim, mund të llogaritet në bazë të gjeometrisë së spirales dhe rrymës në të, pa asnjë informacion shtesë për materialin e bërthamës dhe magnetike të saj. Vetitë. Duhet të kihet parasysh se një karakteristikë më themelore e fushës magnetike është vektori i induksionit magnetik B . Është ai që përcakton forcën e fushës magnetike në lëvizjen e grimcave dhe rrymave të ngarkuara, dhe gjithashtu mund të matet drejtpërdrejt, ndërsa forca e fushës magnetike H mund të konsiderohet më tepër si një sasi ndihmëse (edhe pse është më e lehtë për ta llogaritur atë, të paktën në rastin statik, ku qëndron vlera e saj: në fund të fundit H krijojnë të ashtuquajturat rryma të lira, të cilat janë relativisht të lehta për t'u matur drejtpërdrejt, ndërsa ato që janë të vështira për t'u matur rrymat e lidhura- pra rrymat molekulare etj - nuk ka nevoje te merren parasysh). Vërtetë, shprehja e përdorur zakonisht për energjinë e fushës magnetike (në një medium) B Dhe H përfshihen pothuajse në mënyrë të barabartë, por duhet të kemi parasysh se kjo energji përfshin edhe energjinë e shpenzuar për polarizimin e mediumit dhe jo vetëm energjinë e vetë fushës. Energjia e fushës magnetike si e tillë shprehet vetëm nëpërmjet fondamentalit B . Megjithatë, është e qartë se vlera H fenomenologjikisht dhe këtu është shumë i përshtatshëm. Llojet e materialeve magnetike Materialet diamagnetike kanë një përshkueshmëri magnetike pak më të vogël se 1. Ato ndryshojnë në atë që shtyhen jashtë rajonit të fushës magnetike. Paramagnetët kanë një përshkueshmëri magnetike pak më shumë se 1. Shumica dërrmuese e materialeve janë dia- dhe paramagnetike. Ferromagnetët kanë një përshkueshmëri jashtëzakonisht të lartë magnetike, duke arritur deri në një milion. Ndërsa fusha forcohet, shfaqet fenomeni i histerezës, kur me një rritje të intensitetit dhe me një ulje të mëvonshme të intensitetit, vlerat e B(H) nuk përkojnë me njëra-tjetrën. Ekzistojnë disa përkufizime të përshkueshmërisë magnetike në literaturë. Përshkueshmëria fillestare magnetike m n- vlera e përshkueshmërisë magnetike në fuqinë e fushës së ulët. Përshkueshmëria maksimale magnetike m max- vlera maksimale e përshkueshmërisë magnetike, e cila zakonisht arrihet në fushat mesatare magnetike. Nga termat e tjerë bazë që karakterizojnë materialet magnetike, vërejmë sa vijon. Magnetizimi i ngopjes- magnetizimi maksimal, i cili arrihet në fusha të forta, kur të gjitha momentet magnetike të domeneve janë të orientuara përgjatë fushës magnetike. Lak i histerezës- varësia e induksionit nga forca e fushës magnetike kur fusha ndryshon në një cikël: ngritja në një vlerë të caktuar - zvogëlimi, kalimi në zero, pasi arrin të njëjtën vlerë me shenjën e kundërt - rritje, etj. Laku i histerezës maksimale- duke arritur magnetizimin maksimal të ngopjes. Pushimi B i induksionit të mbetur- Induksioni i fushës magnetike në goditjen e kundërt të lakut të histerezës me forcën zero të fushës magnetike. Forca shtrënguese N s- forca e fushës në goditjen e kthimit të lakut të histerezës në të cilën arrihet induksioni zero.
Një fushë magnetike ka energji. Ashtu siç ka një rezervë të energjisë elektrike në një kondensator të ngarkuar, ekziston një rezervë e energjisë magnetike në spirale përmes së cilës rrjedh rryma.
Nëse lidhni një llambë elektrike paralelisht me një spirale me induktivitet të lartë në një qark elektrik të rrymës së drejtpërdrejtë, atëherë kur hapet çelësi, vërehet një ndezje afatshkurtër e llambës. Rryma në qark lind nën ndikimin e emf vetë-induksionit. Burimi i energjisë që çlirohet në qarkun elektrik është fusha magnetike e spirales. Energjia W m e fushës magnetike të një bobine me induktivitet L të krijuar nga rryma I është e barabartë me W m = LI 2 / 2 |
ku - konstante magnetike.
Punë laboratori nr.9
Studimi i fushës magnetike të një solenoidi
1. Qëllimi i punës
Studimi i shpërndarjes së fushës magnetike të një solenoidi të fundëm duke përdorur fenomenin e induksionit elektromagnetik .
2. Hyrje e shkurtër teorike
Një solenoid është një spirale cilindrike, dredha-dredha e së cilës përbëhet nga një numër i madh kthesash teli që formojnë një vijë spirale. Nëse kthesat janë të vendosura afër, atëherë solenoidi mund të konsiderohet si një sistem rrymash rrethore të lidhura në seri që kanë një bosht të përbashkët. Induksioni i fushës magnetike në çdo pikë të solenoidit është i barabartë me shumën vektoriale të induksioneve të fushës magnetike të krijuara në një pikë të caktuar nga të gjitha kthesat. Vektori i induksionit magnetik në një pikë që shtrihet në boshtin e një solenoidi me dimensione të fundme drejtohet përgjatë boshtit dhe vlera e tij llogaritet me formulën:
, (1)
Ku L- gjatësia e solenoidit, R- rrezja e kthesave të saj,
X– distanca nga buza e solenoidit deri në pikën në studim,
I- forca e rrymës që rrjedh nëpër kthesa,
n është numri i rrotullimeve për njësi të gjatësisë së solenoidit,
Përshkueshmëria relative magnetike e mediumit,
μ0 - konstante magnetike.
Njësia SI e matjes së induksionit të fushës magnetike është "Tesla": [B] = T
Nga shprehja (1) rezulton se induksioni i fushës magnetike është maksimal në boshtin e solenoidit në pikën që korrespondon me mesin e tij:
. (2)
Nëse gjatësia e solenoidit është shumë më e madhe se rrezja e kthesave të saj, atëherë solenoidi mund të konsiderohet pafundësisht i gjatë. Fusha magnetike brenda një solenoidi pafundësisht të gjatë është uniforme dhe induksioni i saj është i barabartë me:
. (3)
Shpërndarja e fushës magnetike e një solenoidi me gjatësi të kufizuar është më komplekse në krahasim me rastin më të thjeshtë të një solenoidi pafundësisht të gjatë. Për shumë konfigurime të tjera të fushës magnetike, llogaritja teorike e të cilave është e vështirë, preferohet të përcaktohet në mënyrë eksperimentale induksioni magnetik.
Vlera mund të matet duke përdorur, për shembull, fenomenin e induksionit elektromagnetik. Nëse një qark i vogël vendoset në një pikë të caktuar të fushës magnetike, atëherë me ndryshimet e fluksit magnetik që depërton në këtë qark, në këtë të fundit do të shfaqet një e. d.s., induksion, induksion elektromagnetik (ligji i Faradeit), kemi:
Në këtë punë, një spirale matës (IC) përdoret si qark, i përbërë nga një numër i madh kthesash N. Emetimi që lind në të. d.s. induksioni përbëhet nga e. d.s. kthesat individuale, d.m.th.
, (5)
ku S është zona e prerjes tërthore të IR.
Nëse në mbështjelljen e solenoidit rrjedh një rrymë alternative, atëherë edhe fusha magnetike e krijuar nga kjo rrymë është e alternuar, d.m.th.
, (6)
ku B0 është vlera e amplitudës së induksionit magnetik,
– frekuenca ciklike e rrymës alternative.
Nga formulat (5) dhe (6) rezulton se e. d.s. induksioni, udhëzimi IR, ndryshimet me kalimin e kohës sipas ligjit:
e = e0 sin(wt) (7)
ku e0 është vlera e amplitudës së e. d.s., i barabartë
e0 = NSwB0 = kB0 , (8)
Koeficienti quhet konstanta e kalibrimit të instalimit matës. Mund të përcaktohet në mënyrë eksperimentale.
Voltmetri i përdorur për të matur e. d.s. induksioni e, tregon vlerën efektive të tensionit alternues U të lidhur me vlerën e amplitudës e. d.s. (e0) nga relacioni:
https://pandia.ru/text/80/314/images/image011_30.gif" width="92" height="26"> . (10)
Nga formula (9) dhe (10) rezulton se raporti i tensionit efektiv në çdo pikë ku ndodhet IR me vlerën e tij maksimale efektive në qendër të solenoidit është i barabartë me raportin e induksionit magnetik në këtë pikë me induksioni maksimal magnetik në qendër të solenoidit:
. (11)
Prandaj, shpërndarja e induksionit të fushës magnetike të solenoidit mund të studiohet pa llogaritur konstantën e kalibrimit të instalimit matës k.
3. Përshkrimi i konfigurimit eksperimental.
Brenda solenoidit në studim, duke përdorur një shufër me një tregues që rrëshqet përgjatë shkallës, spiralja matëse mund të lëvizë. Boshti i spirales është paralel me boshtin e solenoidit. IR gjithashtu mund të zhvendoset në një drejtim pingul me boshtin solenoid. Instalimi është montuar sipas diagramit elektrik të paraqitur në Fig. 1. Dredha-dredha e solenoidit furnizohet me rrymë alternative, e matur me një ampermetër dhe e ndryshueshme duke përdorur një reostat. E.m.f. Induksioni që lind në IR matet me një voltmetër. Kjo është vlera efektive e e. d.s. induksioni i lidhur me vlerën e amplitudës së induksionit të fushës magnetike të solenoidit në vendndodhjen e IR sipas formulës (9).
Matjet reduktohen në fiksimin e koordinatave të vendndodhjes së IR në lidhje me solenoidin dhe vlerën e e. d.s. induksioni që korrespondon me këtë pozicion.
4.Detyrë pune
Detyra 4.1. Shpërndarja e induksionit të fushës magnetike të një solenoidi të fundëm.
4.1.1. Montoni një qark elektrik sipas diagramit në Fig. 1
4.1.2. Vendosni rrymën fikse në mbështjelljen e solenoidit në 1.5A.
4.1.3. Duke ndryshuar pozicionin e IR në raport me solenoidin, matni e. d.s. induksioni. IR duhet të zhvendoset përgjatë boshtit të solenoidit 2 cm, duke regjistruar leximet e voltmetrit për secilën koordinatë në Tabelën 4.1.
4.1.4..gif" width="84" height="45">, duke përdorur formulat e llogaritjes (1), (2) Krahasoni varësitë eksperimentale dhe teorike. Vlerësoni gabimin sistematik të matjeve.
Tabela 4.1.
Detyra 4.2. Varësia e madhësisë së induksionit magnetik nga forca e rrymës në solenoid.
4.2.1. Vendoseni IR në mes të solenoidit ku fusha magnetike është maksimale.
4.2.2. Për vlera të ndryshme të rrymës në solenoid, matni e. d.s. induksioni i induktuar në IR. Për të njëjtat vlera aktuale, llogaritni vlerat e induksionit magnetik në qendër të solenoidit përfundimtar duke përdorur formulën (2). Shënoni rezultatet e matjeve dhe llogaritjeve në tabelën 4.2.
4.2.3. Ndërtoni, mundësisht duke përdorur metodën e katrorëve më të vegjël, një grafik të varësisë 0 " style="border-collapse:collapse;border:none">
Rryma e solenoidit, Ic, A
E.m.f. induksioni
Induksioni i fushës magnetike
Kufiri i matjes
Leximi i instrumentit
Vlera e tanishme
Vmax, 10-3 T
|
Fig 1. Diagrami elektrik i konfigurimit eksperimental
Detyra 4.3. Shpërndarja radiale e induksionit të fushës magnetike të një solenoidi të fundëm.
4.3.1. Montoni IR në skajin e solenoidit.
4.3.2. Vendosni rrymën fikse në mbështjelljen e solenoidit në 1.5A.
4.3.3. Lëvizja IR në drejtim pingul me boshtin e solenoidit, matet e. d.s. induksioni. IR duhet të zhvendoset me 0,5 cm, duke regjistruar leximet e voltmetrit për secilën koordinatë në Tabelën 4.3.
4.3.4. Duke ditur vlerën e konstantës së kalibrimit të instalimit matës, llogaritni vlerën e induksionit të fushës magnetike për secilën koordinatë duke përdorur formulën (9).
4.3.5. Vizatoni një grafik të B = f(x).
4.3.6. Instaloni IR në qendër të solenoidit.
4.3.7. Për këtë pozicion IR, plotësoni detyrat në paragrafët 4.3.4.-4.3.6.
4.3.8. Shkruani në fletore sasitë e mëposhtme konstante: gjatësinë e solenoidit, diametrin e tij, numrin e rrotullimeve të tij, gjatësinë e bobinës matëse, diametrin e saj, numrin e rrotullimeve të saj.
Tabela 4.3.
Shtojca përmban një program për përpunimin e rezultateve të punës laboratorike në kompjuter. Kur futni të dhëna eksperimentale, sigurohuni që t'i konvertoni ato në njësi SI.
5.Pyetje sigurie
5.1. Çfarë është induksioni i fushës magnetike?
5.2. Cilat metoda të matjes së induksionit magnetik dini?
5.3. Cili është fenomeni i induksionit elektromagnetik?
5.4. A është e mundur të përdoret një burim DC për këtë punë?
5.5. Cila është natyra e shfaqjes së e. d.s. induksion në IR?
5.6. Nxjerr formulën për induksionin e fushës magnetike të një solenoidi pafundësisht të gjatë.
5.7. Cili është raporti i vlerave të induksionit magnetik brenda një solenoidi pafundësisht të gjatë dhe në fund të një solenoidi gjysmë të pafund?
5.8. Cili është burimi i paragjykimit?
6.Letërsia
6.1. Kallashnikov.-M.: Nauka, 1977.
6.2. Kursi i fizikës Sivukhin.-M.: Nauka, 1977.
6.3. Matveev dhe magnetizmi. -M.: Shkolla e lartë, 1991.
6.4. , Malov i fizikës së përgjithshme: Elektriciteti dhe magnetizmi - M.: Edukimi, 1980.
Me interes të veçantë është fusha magnetike brenda solenoidit, gjatësia e së cilës e tejkalon dukshëm diametrin e saj. Brenda një solenoidi të tillë, induksioni magnetik ka të njëjtin drejtim kudo, paralel me boshtin e solenoidit, dhe kjo do të thotë se vijat e fushës janë paralele me njëra-tjetrën.
Duke matur induksionin magnetik në një farë mënyre në pika të ndryshme brenda solenoidit, mund të verifikojmë se nëse rrotullimet e solenoidit janë të barabarta, atëherë induksioni i fushës magnetike brenda solenoidit ka jo vetëm të njëjtin drejtim në të gjitha pikat, por edhe të njëjtën vlerë numerike. Pra, fusha brenda një solenoidi të gjatë dhe të plagosur në mënyrë uniforme është uniforme. Në të ardhmen, kur flasim për fushën brenda solenoidit, gjithmonë do të kemi parasysh solenoidë të tillë uniformë "të gjatë" dhe nuk do t'i kushtojmë vëmendje devijimeve nga uniformiteti i fushës në zonat afër skajeve të solenoidit.
Matjet e ngjashme të bëra me solenoidë të ndryshëm me fuqi të ndryshme rryme në to treguan se induksioni magnetik i fushës brenda një solenoidi të gjatë është në proporcion me forcën aktuale dhe numrin e rrotullimeve për njësi gjatësi të solenoidit, d.m.th., vlera ku është numri total i rrotullimeve të solenoidit, - gjatësia e tij. Kështu,
ku është koeficienti i proporcionalitetit, i quajtur konstante magnetike (krh. konstanta elektrike, § 11). Vlera numerike e konstantës magnetike
Më pas (§ 157) rezulton se njësia në të cilën shprehet sasia mund të quhet "henri për metër", ku henri (H) është një njësi induktiviteti. Prandaj, ne mund ta shkruajmë atë
Gn/m. (126.2)
Për shkak të thjeshtësisë së saj, fusha solenoid përdoret si fushë referimi.
Për të karakterizuar një fushë magnetike, përveç induksionit magnetik, përdoret edhe një sasi vektoriale e quajtur forca e fushës magnetike. Në rastin e një fushe në vakum, sasitë dhe janë thjesht proporcionale me njëra-tjetrën:
kështu që futja e një sasie nuk sjell asgjë të re. Megjithatë, në rastin e një fushe në materie, lidhja me ka formën
ku është një karakteristikë pa dimensione e një substance, e quajtur përshkueshmëria magnetike relative ose thjesht përshkueshmëria magnetike e substancës. Kur merren parasysh fushat magnetike në një substancë, siç është hekuri, sasia është e dobishme. Kjo diskutohet më në detaje në § 144.
Nga formula (126.1) dhe (126.3) rezulton se në rastin kur solenoidi është në vakum, forca e fushës magnetike
d.m.th., siç thonë ata, e barabartë me numrin e kthesave të amperit për metër.
Duke matur fushën e induksionit magnetik të krijuar nga një rrymë që rrjedh nëpër një përcjellës shumë të gjatë të drejtë të hollë, u zbulua se
ku është forca aktuale në përcjellës, është distanca nga përcjellësi.
Sipas formulës (126.3), forca e fushës e krijuar nga një përcjellës i drejtë i vendosur në vakum është i barabartë me
Në përputhje me formulën (126.7), njësia e fuqisë së fushës magnetike quhet amper për metër (A/m). Një amper për metër është forca e fushës magnetike në një distancë prej një metri nga një përcjellës i hollë, i drejtë, pafundësisht i gjatë që mban një rrymë amper.
126.1. Induksioni i fushës magnetike brenda solenoidit është 0.03 Tesla. Çfarë rryme rrjedh në solenoid nëse gjatësia e tij është 30 cm dhe numri i rrotullimeve është 120?
126.2. Si do të ndryshojë induksioni magnetik i fushës brenda solenoidit nga problemi i mëparshëm nëse solenoidi shtrihet në 40 cm ose kompresohet në 10 cm? Çfarë ndodh nëse e palosni solenoidin në gjysmë në mënyrë që kthesat e njërës gjysmë të qëndrojnë midis kthesave të gjysmës tjetër?
126.3. Një rrymë rrjedh nëpër një solenoid 20 cm të gjatë, i përbërë nga 60 kthesa me diametër 15 cm. Çfarë do të ndodhë me fushën magnetike brenda solenoidit nëse diametri i kthesave të tij zvogëlohet në 5 cm, duke ruajtur të njëjtën gjatësi të solenoidit dhe duke përdorur të njëjtën copë teli? Si mund të arrihet të njëjtën induksion të fushës magnetike duke mbajtur të pandryshuar gjatësinë dhe diametrin e rrotullimeve të solenoidit?
126.4. Brenda një solenoidi 8 cm të gjatë, i përbërë nga 40 rrotullime, gjendet një solenoid tjetër me numrin e rrotullimeve për 1 cm gjatësi solenoidale të barabartë me 10. Në të dy solenoidet kalon e njëjta rrymë prej 2 A brenda të dy solenoideve, nëse skajet e tyre veriore janë përballë: a) njëkahëshe; b) në drejtime të kundërta?
126.5. Janë tre solenoidë me gjatësi 30 cm, 5 cm dhe 24 cm me numrin e rrotullimeve përkatësisht 1500, 1000 dhe 600. Një rrymë prej 1 A rrjedh nëpër solenoidin e parë Çfarë rryme duhet të rrjedhin nëpër solenoidin e dytë dhe të tretë në mënyrë që induksioni magnetik brenda të tre solenoideve të jetë i njëjtë?
126.6. Llogaritni induksionin e fushës magnetike në secilin prej solenoideve në problemin 126.5.
126.7. Në një solenoid 10 cm të gjatë, ju duhet të merrni një fushë magnetike me një forcë prej 5000 A/m. Në këtë rast, rryma në solenoid duhet të jetë e barabartë me 5 A. Nga sa rrotullime duhet të përbëhet solenoidi?
126.8. Sa është induksioni i fushës magnetike brenda një solenoidi, gjatësia e të cilit është 20 cm, dhe numri i përgjithshëm i rrotullimeve është 500, me një rrymë prej 0,1 A? Si do të ndryshojë induksioni magnetik nëse solenoidi shtrihet në 50 cm dhe rryma zvogëlohet në 10 mA?
Artikulli i mëparshëm: Sa është shpejtësia e dritës Artikulli vijues: Karakteristikat e elementit të karbonit dhe vetitë kimike