Соленоиди - устройство, работа, приложение. Най-оптималните опции за управление на соленоида

соленоиднаречена намотка с цилиндрична форма, изработена от тел, чиито навивки са навити плътно в една посока и дължината на намотката е много по-голяма от радиуса на завоя.

Магнитното поле на соленоид може да бъде представено като резултат от добавянето на полета, създадени от няколко кръгови тока, които имат обща ос. Фигура 3 показва, че вътре в соленоида линиите на магнитна индукция на всяка отделна витка имат една и съща посока, докато между съседните навивки имат противоположна посока.

Следователно, при достатъчно плътна намотка на соленоида, противоположно насочените участъци от линиите на магнитна индукция на съседни завои се компенсират взаимно и еднакво насочените участъци се сливат в обща линия на магнитна индукция, преминаваща вътре в соленоида и го покрива от навън. Изследването на това поле с помощта на дървени стърготини показа, че полето е равномерно вътре в соленоида, магнитните линии са прави линии, успоредни на оста на соленоида, които се разминават в краищата си и се затварят извън соленоида (фиг. 4).

Лесно е да се види приликата между магнитното поле на соленоид (извън него) и магнитното поле на постоянен прътов магнит (фиг. 5). Краят на соленоида, от който излизат магнитните линии, е подобен на северния полюс на магнита н, другият край на соленоида, в който влизат магнитните линии, е подобен на южния полюс на магнита С.

Полюсите на соленоид с ток лесно се определят експериментално с помощта на магнитна стрелка. Познавайки посоката на тока в бобината, тези полюси могат да бъдат определени с помощта на правилото на десния винт: завъртаме главата на десния винт според тока в бобината, тогава транслационното движение на върха на винта ще показват посоката на магнитното поле на соленоида и следователно неговия северен полюс. Модулът на магнитната индукция вътре в еднослоен соленоид се изчислява по формулата

B = μμ 0 NI l = μμ 0 nl,

където Ν е броят на завъртанията в соленоида, азе дължината на соленоида, не броят на навивките на единица дължина на соленоида.

Намагнитване на магнит. Вектор на намагнитване.

Ако през проводника протича ток, тогава около проводника се създава магнитно поле. Досега разглеждахме проводници, през които течаха токове във вакуум. Ако проводниците, по които тече ток, са в определена среда, то т.т. промени. Това се обяснява с факта, че под действието на т.т. всяко вещество може да придобие магнитен момент или да се магнетизира (вещество става магнитен). Веществата, които се магнетизират във външните т.т. срещу посоката на полето се наричат диамагнити. Вещества, които са слабо намагнетизирани във външната т.т. по посока на полето се наричат парамагнетици Намагнитната материя създава т.т. - , това е т.т. насложен върху мп, поради течения - . Тогава полученото поле: . (54.1) Истинското (микроскопично) поле в магнита варира значително в границите на междумолекулните разстояния. е осредненото макроскопично поле. За обяснение намагнитванетела Ампер предполага, че кръгови микроскопични токове циркулират в молекулите на дадено вещество, поради движението на електрони в атоми и молекули. Всеки такъв ток има магнитен момент и създава магнитно поле в околното пространство. Ако няма външно поле, тогава молекулярните токове са произволно ориентирани и полученото поле, дължащо се на тях, е 0. Намагнитването е векторно количество, равно на магнитния момент на единица обем на магнита: , (54.3) където е физически безкрайно малък обем, взет в близост до разглежданата точка; е магнитният момент на отделна молекула. Сумирането се извършва върху всички молекули, съдържащи се в обема (припомнете си къде, - поляризациядиелектрик, - диполен елемент ). Намагнитването може да бъде представено, както следва: Магнетизиращи токове I". Намагнитването на веществото е свързано с преобладаващата ориентация на магнитните моменти на отделните молекули в една посока. Елементарните кръгови токове, свързани с всяка молекула, се наричат молекулярно. Молекулните токове се оказват ориентирани, т.е. възникват намагнитващи токове. Токовете, протичащи през проводниците, дължащи се на движението на токоносителите в веществото, се наричат ​​токове на проводимост -. За електрон, движещ се по кръгова орбита по посока на часовниковата стрелка; токът е насочен обратно на часовниковата стрелка и според правилото на десния винт е насочен вертикално нагоре. Циркулация на вектора на намагнитванепо произволна затворена верига е равна на алгебричната сума на токовете на намагнитване, обхванати от веригата G. Диференциална форма на векторната циркулационна теорема. Сила на магнитното поле (стандартно обозначение з) е векторна физична величина, равна на разликата на вектора на магнитната индукция би вектора на намагнитване М. В SI: където - магнитна константа. В най-простия случай на изотропна (по отношение на магнитните свойства) среда и в приближението на достатъчно ниски честоти на промяна на полето б и з са просто пропорционални един на друг, различаващи се просто с числов фактор (в зависимост от средата) б = μ з в системата GHSили б = μ 0 μ з в системата SI(см. Магнитна пропускливост, Вижте също Магнитна чувствителност). В системата GHSсилата на магнитното поле се измерва в Ерстедс(E), в системата SI - в ампери на метър(A/m). В техниката ерстедът постепенно се измества от единицата SI - ампер на метър. 1 Oe \u003d 1000 / (4π) A / m ≈ 79,5775 A / m. 1 A/m = 4π/1000 Oe ≈ 0,01256637 Oe. физически смисъл Във вакуум (или при липса на среда, способна на магнитна поляризация, както и в случаите, когато последната е незначителна), силата на магнитното поле съвпада с вектора на магнитната индукция до коефициент, равен на 1 в CGS и μ 0 в SI. AT магнити(магнитна среда) силата на магнитното поле има физическото значение на „външно“ поле, тоест съвпада (може би в зависимост от мерните единици до постоянен коефициент, като например в системата SI, което не промяна на общия смисъл) с такава векторна магнитна индукция, която „би била, ако нямаше магнит“. Например, ако полето е създадено от тоководеща намотка, в която е поставена желязна сърцевина, тогава силата на магнитното поле з вътре в ядрото съвпада (в GHSточно, а в SI - до постоянен размерен коефициент) с вектора б 0 , който би бил създаден от тази намотка при липса на сърцевина и който по принцип може да се изчисли въз основа на геометрията на намотката и тока в нея, без допълнителна информация за материала на сърцевината и нейните магнитни Имоти. В същото време трябва да се има предвид, че по-фундаментална характеристика на магнитното поле е векторът на магнитната индукция б . Той е този, който определя силата на магнитното поле върху движещи се заредени частици и токове и може също да бъде директно измерен, докато силата на магнитното поле з може да се разглежда по-скоро като спомагателна величина (въпреки че е по-лесно да се изчисли, поне в статичен случай, което е нейната стойност: в крайна сметка, з създават т.нар свободни течения, които са относително лесни за директно измерване, но трудни за измерване свързани токове- тоест молекулярни токове и т.н. - не е необходимо да се вземат предвид). Вярно е, че в често използвания израз за енергията на магнитно поле (в среда) б и з влизат почти еднакво, но трябва да се има предвид, че тази енергия включва енергията, изразходвана за поляризацията на средата, а не само енергията на самото поле. Енергията на магнитното поле като такова се изразява само чрез фундамента б . Въпреки това е ясно, че стойността з феноменологично и тук е много удобно. Видове магнити Диамагнитите имат магнитна проницаемост малко по-малка от 1. Различават се по това, че се изтласкват извън магнитното поле. Парамагнетициимат магнитна пропускливост малко повече от 1. По-голямата част от материалите са диа- и парамагнитни. феромагнетициимат изключително висока магнитна проницаемост, достигаща до милион. С увеличаването на полето се появява феноменът на хистерезис, когато с увеличаване на интензитета и с последващо намаляване на интензитета стойностите на B (H) не съвпадат една с друга. В литературата има няколко определения за магнитна проницаемост. Първоначална магнитна проницаемост m n- стойността на магнитната проницаемост при ниска напрегнатост на полето. Максимална магнитна проницаемост m max- максималната стойност на магнитната проницаемост, която обикновено се постига при средни магнитни полета. От другите основни термини, характеризиращи магнитните материали, отбелязваме следното. Намагнитване на насищане- максималното намагнитване, което се постига при силни полета, когато всички магнитни моменти на домените са ориентирани по дължината на магнитното поле. Хистерезисна верига- зависимост на индукцията от силата на магнитното поле, когато полето се променя в цикъл: нарастване до определена стойност - намаляване, преминаване през нула, след достигане на същата стойност с обратен знак - нарастване и др. Максимална верига на хистерезис- достигане на максимално намагнитване на насищане. Остатъчна индукция B почивка- индукция на магнитно поле по обратния ход на хистерезисната верига при нулева сила на магнитното поле. Принудителна сила N s- напрегнатост на полето по обратния ход на хистерезисната верига, при която се постига нулева индукция. Магнитни моменти на атомите Магнитен момент Елементарните частици имат присъщо квантово-механично свойство, известно като спин. Той е подобен на ъгловия момент на обект, въртящ се около собствения си център на масата, въпреки че строго погледнато, тези частици са точкови частици и не може да се говори за тяхното въртене. Спинът се измерва в единици редуцирана константа на Планк (), тогава електроните, протоните и неутроните имат спин, равен на ½. В атома електроните се въртят около ядрото и имат орбитален ъглов импулс в допълнение към спина, докато самото ядро ​​има ъглов импулс поради ядрения спин. Магнитното поле, създадено от магнитния момент на атома, се определя от тези различни форми на ъглов момент, точно както в класическата физика въртящите се заредени обекти създават магнитно поле. Най-значимият принос обаче идва от въртенето. Поради свойството на електрона, подобно на всички фермиони, да се подчинява на правилото за изключване на Паули, според което два електрона не могат да бъдат в едно и също квантово състояние, свързаните електрони се сдвояват един с друг и един от електроните е в спин- състояние нагоре, а другият – с противоположна спинова проекция – състояние със спин надолу. По този начин магнитните моменти на електроните се компенсират, намалявайки общия магнитен диполен момент на системата до нула в някои атоми с четен брой електрони. Във феромагнитни елементи като желязо, нечетен брой електрони води до несдвоен електрон и ненулев общ магнитен момент. Орбиталите на съседните атоми се припокриват и най-ниското енергийно състояние се достига, когато всички спинове на несдвоените електрони приемат една и съща ориентация, процес, известен като обменно взаимодействие. Когато магнитните моменти на феромагнитните атоми се подравнят, материалът може да създаде измеримо макроскопично магнитно поле. Парамагнитните материали са съставени от атоми, чиито магнитни моменти са неправилно ориентирани в отсъствието на магнитно поле, но магнитните моменти на отделните атоми се изравняват, когато се приложи магнитно поле. Ядрото на атома може също да има ненулев общ спин. Обикновено при термодинамично равновесие спиновете на ядрата са произволно ориентирани. Въпреки това, за някои елементи (като ксенон-129) е възможно да се поляризират значителна част от ядрените завъртания, за да се създаде състояние на съвместно насочени завъртания - състояние, наречено хиперполяризация. Това състояние е от голямо практическо значение при ядрено-магнитен резонанс. Магнитното поле има енергия. Точно както зареденият кондензатор има захранване с електрическа енергия, намотка с ток, протичащ през нейните намотки, има захранване с магнитна енергия. Ако включите електрическа лампа паралелно с намотка с голяма индуктивност в електрическа верига с постоянен ток, тогава при отваряне на ключа се наблюдава кратко мигане на лампата. Токът във веригата възниква под действието на ЕМП на самоиндукция. Източникът на енергия, освободена в този случай в електрическата верига, е магнитното поле на намотката. Енергията W m на магнитното поле на намотка с индуктивност L, създадено от ток I, е равна на W m = LI 2 / 2

Инструменти и аксесоари:лабораторна постановка със соленоид, захранване, миливолтметър, амперметър.

Кратка теория

соленоиднаречена цилиндрична намотка, съдържаща голям брой навивки от проводник, през които протича ток. Ако стъпката на спиралата на проводника, образуващ бобината, е малка, тогава всеки токопроводим завой може да се разглежда като отделен кръгов ток, а соленоидът като система от последователно свързани кръгови токове с еднакъв радиус, имащи общ ос.

Магнитното поле вътре в соленоида може да се разглежда като сбор от магнитните полета, създадени от всяко завъртане. Векторът на индукция на магнитното поле вътре в соленоида е перпендикулярен на равнината на завоите, т.е. е насочен по оста на соленоида и образува дясна система с посоката на пръстенните токове на завоите. Приблизителна картина на силовите линии на магнитното поле на соленоида е показана на фиг. 1. Линиите на магнитното поле са затворени.

Фигура 2 показва разрез на соленоид с дължина L и брой навивки N и радиус на напречното сечение R. Кръговете с точки показват секциите на намотките на бобината, през които протича токът I, насочен от чертежа към нас , а кръговете с кръстове показват участъците от завоите, в които токът е насочен извън чертежа. Броят на завъртанията на единица дължина на соленоида се означава с .

Индукцията на магнитното поле в точка А, разположена на оста на соленоида, се определя чрез интегриране на магнитните полета, създадени от всяко завъртане, и е равна на

, (1)

където и са ъглите, образувани с оста на соленоида от радиус вектори и изтеглени от точка А до крайните завои на соленоида, е магнитната пропускливост на средата, магнитна константа.

По този начин магнитната индукция B е право пропорционална на силата на тока, магнитната проницаемост на средата, запълваща соленоида, и броя на завъртанията на единица дължина. Магнитната индукция също зависи от позицията на точка А спрямо краищата на соленоида. Нека разгледаме няколко специални случая:

1. Нека точка А е в центъра на соленоида, тогава , и . Ако соленоидът е достатъчно дълъг, тогава и 2)

2. Нека точка А е в центъра на екстремния завой, тогава , и . Ако соленоидът е достатъчно дълъг, тогава и (3)

От формули (2) и (3) се вижда, че магнитната индукция на соленоида в неговия край е наполовина по-малка от стойността му в центъра.

3. Ако дължината на соленоида е многократно по-голяма от радиуса на неговите завои
("безкрайно" дълъг соленоид), след това за всички точки, лежащи вътре
соленоид на оста му, можете да поставите . Тогава
полето може да се счита за равномерно в централната част на соленоида и може да се изчисли с помощта на формулата

Еднородността на магнитното поле се нарушава близо до краищата на соленоида. В този случай индукцията може да се определи по формулата

където k е коефициент, който отчита нехомогенността на полето.

Експерименталното изследване на магнитното поле на соленоида в тази работа се извършва с помощта на специална сонда - малка намотка, монтирана вътре в пръта с мащабна линийка. Оста на бобината съвпада с оста на соленоида, бобината е свързана към миливолтметър с променлив ток, чието входно съпротивление е много по-голямо от съпротивлението на намотката на сондата. Ако през соленоида протича променлив ток стандартна честота ( = 50 Hz), тогава вътре в соленоида и по неговите краища индукцията на променливото магнитно поле се променя според закона (виж (5)):

Амплитудата на магнитната индукция в тази формула зависи от позицията на точката вътре в соленоида. Ако намотка на сондата е поставена в соленоид, тогава в съответствие със закона за електромагнитната индукция в нея възниква индукционна ЕМП:

, (6)

където N 1 е броят на завъртанията в бобината, S е площта на напречното сечение на бобината, Ф е магнитният поток (тъй като оста на бобината съвпада с оста на соленоида и следователно магнитната вектор на индукция е перпендикулярен на равнината на напречното сечение на бобината.).

Тъй като величината на индукцията B се променя според закона , , тогава от (6) се получава формулата за изчисляване на ЕМП:

От израз (7) се вижда, че амплитудата на ЕМП зависи от . По този начин, чрез измерване на амплитудата на ЕМП, можем да определим:

Коефициентът k, който отчита нехомогенността на магнитното поле на соленоида по краищата, може да се определи по формулата. (5), знаейки и :

(9)

където е амплитудата на променливия ток, протичащ през соленоида.

От формули (7) и (9) следва, че амплитудата на индукционната ЕДС е право пропорционална на амплитудата на променливия ток:

Амперметърът и миливолтметърът, включени във веригата за променлив ток, измерват ефективните стойности на тока и EMF, които са свързани с амплитуди и отношения:

За ефективните стойности на тока и ЕМП формулата (10) има формата

(11)

От формула (11) следва, че съотношението е пропорционално на коефициента K на нехомогенността на индукцията на магнитното поле в точката на соленоида, където се извършват измерванията

(12)

където А е коефициентът на пропорционалност.

В тази работа се изисква да се изпълнят две задачи: 1) да се определи разпределението на индукцията по оста на соленоида при определена постоянна стойност на тока; 2) определете стойността на коефициента k.

Предпазни мерки:

1. Не свързвайте / независимо захранване и миливолтметър към 220 V мрежа.

2. Не превключвайте захранваните вериги.

Не докосвайте оголени части на веригите.

3. Не оставяйте веригата включена без надзор.

Работен ред

Задача номер 1.Изследване на разпределението на индукцията на магнитното поле по оста на соленоида.

1. Сглобете измервателната верига по схемата, показана на фиг. 3. За да направите това, свържете източник на захранване и амперметър към соленоидната верига и миливолтметър към проводниците на намотката на сондата (за измерване). В тази инсталация намотката на сондата има следните параметри: = 200 оборота, S = 2 * 10 -4 m 2, честота AC = 50 Hz, Брой навивки на единица дължина на соленоида n = 2400 1/m

1- лабораторна стойка Z - прът "

2- бобина-сонда

3- соленоид
5- амперметър

6 - захранване с регулатор на изходното напрежение (ток), 7 - миливолтметър.

2. Позиционирайте пръта със скалата така, че намотката на сондата да е приблизително в средата на соленоида.

3. Включете захранването на соленоида и настройте тока на соленоида (според амперметъра) на = 25mA. Включете миливолтметъра и след загряване (5 минути) вземете показания.

4. Преместване на пръта с линейна скала, измерване с помощта
миливолтметър ефективна стойност на индукционната ЕМП през всеки
сантиметър позиция на владетеля. По формула (8) изчислете .
Запишете резултатите от измерванията и изчисленията в таблица 1 (обърнете внимание на това).

Магнитното поле на соленоида е суперпозиция от отделни полета, които се създават от всяко завъртане поотделно. Един и същи ток протича през всички завои. Осите на всички завои лежат на една и съща линия. Соленоидът е индуктор с цилиндрична форма. Тази бобина е навита с проводящ проводник. В този случай завоите са подредени плътно един към друг и имат една посока. Предполага се, че дължината на намотката значително надвишава диаметъра на завоите.

Нека разгледаме магнитната индукция, създадена от всяко завъртане. Може да се види, че индукцията във всяка намотка е насочена в една и съща посока. Ако погледнете центъра на бобината, тогава индукцията от нейните краища ще се добави. В този случай индукцията на магнитното поле между две съседни навивки е противоположно насочена. Тъй като се създава от същия ток, той се компенсира.

Фигура 1 - Полето, създадено от отделни завъртания на соленоида

Ако завоите на соленоида са навити достатъчно плътно, тогава между всички завои полето на брояча ще бъде компенсирано, а вътре в завоите отделните полета ще бъдат добавени в едно общо поле. Линиите на това поле ще минават вътре в соленоида и ще го покриват отвън.

Ако изследвате магнитното поле вътре в соленоида по някакъв начин, например с помощта на железни стърготини, тогава можете да заключите, че то е хомогенно. Линиите на магнитното поле в тази област са успоредни прави линии. Те не само са успоредни на себе си, но и са успоредни на оста на соленоида. Излизайки отвъд соленоида, те са огънати и затворени извън бобината.

Фигура 2 - Полето, създадено от соленоида

От фигурата може да се види, че полето, създадено от соленоида, е подобно на полето, което създава постоянен прътов магнит. В единия край силовите линии излизат от соленоида и този край е аналогичен на северния полюс на постоянен магнит. И те влизат в другия и този край съответства на южния полюс. Разликата е, че полето присъства и вътре в соленоида. И ако проведете експеримент с железни стружки, те ще бъдат изтеглени в пространството между завоите.

Но ако вътре в соленоида се постави дървена сърцевина или сърцевина, направена от друг немагнитен материал, тогава по време на експеримента с железни стружки картината на полето на постоянния магнит и соленоида ще бъде идентична. Тъй като дървената сърцевина няма да изкриви силовите линии, но в същото време няма да позволи на дървените стърготини да проникнат вътре в намотката.

Фигура 3 - Изображение на полето на постоянен лентов магнит

Могат да се използват няколко метода за определяне на полюсите на соленоид. Например, най-простият е да използвате магнитна стрелка. Той ще бъде привлечен от противоположния полюс на магнита. Ако посоката на тока в намотката е известна, полюсите могат да се определят с помощта на правилото на десния винт. Ако завъртите главата на десния винт по посока на тока, тогава транслационното движение ще покаже посоката на полето в соленоида. И знаейки, че полето е насочено от северния полюс към юга, и можете да определите къде кой полюс се намира.

Соленоидът е дълга, тънка намотка, тоест намотка, чиято дължина е много по-голяма от нейния диаметър (също в следващите изчисления тук се приема, че дебелината на намотката е много по-малка от диаметъра на намотката). При тези условия и без използването на магнитен материал, плътността на магнитния поток вътре в бобината е практически постоянна и е (приблизително) равна на

където е магнитната константа, е броят на навивките, е токът и е дължината на намотката. Пренебрегвайки ръбовите ефекти в краищата на соленоида, откриваме, че връзката на потока през намотката е равна на плътността на потока, умножена по площта на напречното сечение и броя на завоите:

От тук следва формулата за индуктивността на соленоида (без сърцевина):

Ако намотката вътре е напълно запълнена с магнитен материал (сърцевина), тогава индуктивността се различава с фактор - относителната магнитна пропускливост на сърцевината:

В случай, когато , е възможно (трябва) под Сразберете площта на напречното сечение на ядрото и използвайте тази формула дори при дебели намотки, освен ако общата площ на напречното сечение на намотката не надвишава площта на напречното сечение на ядрото много пъти.

По-точни формули за соленоид с краен размер

За еднослоен (много тънко навит) соленоид с крайни размери (не безкрайно дълъг) има по-точни, макар и по-сложни формули:

брой завъртания,

радиус на цилиндъра,

Дължината на нейната образуваща,

Елиптични интеграли.

Трансформатор. Енергията на магнитното поле. Основи на теорията на Максуел. Уравнения на Максуел в интегрална форма.

Електрически колебателен кръг. Затихнали електромагнитни трептения. Принудени електромагнитни трептения. Резонансно явление

Осцилаторна верига- осцилатор, който е електрическа верига, съдържаща свързани индуктор и кондензатор. В такава верига могат да се възбудят колебания на ток (и напрежение).

Осцилаторният кръг е най-простата система, в която могат да възникнат свободни електромагнитни трептения.

Резонансната честота на веригата се определя от така наречената формула на Томсън:

Принцип на действие

Нека кондензатор с капацитет ° Сзаредени до напрежение. Съхранената енергия в кондензатора е

Когато кондензаторът е свързан към индуктор, във веригата ще тече ток, който ще предизвика електродвижеща сила (ЕМС) на самоиндукция в бобината, насочена към намаляване на тока във веригата. Токът, причинен от тази ЕМП (при липса на загуби в индуктивността) в началния момент ще бъде равен на тока на разреждане на кондензатора, т.е. полученият ток ще бъде равен на нула. Магнитната енергия на намотката в този (начален) момент е нула.

Тогава полученият ток във веригата ще се увеличи и енергията от кондензатора ще премине в бобината, докато кондензаторът бъде напълно разреден. В този момент електрическата енергия на кондензатора. Магнитната енергия, концентрирана в бобината, напротив, е максимална и равна на

Където е индуктивността на бобината, е максималната стойност на тока.

След това ще започне презареждането на кондензатора, т.е. зареждането на кондензатора с напрежение с различна полярност. Презареждането ще се извършва, докато магнитната енергия на намотката се преобразува в електрическата енергия на кондензатора. В този случай кондензаторът отново ще бъде зареден до напрежение.

В резултат на това във веригата възникват трептения, чиято продължителност ще бъде обратно пропорционална на загубите на енергия във веригата.

Като цяло процесите, описани по-горе в паралелна осцилаторна верига, се наричат ​​токов резонанс, което означава, че през индуктивността и капацитета протичат токове, по-големи от тока, преминаващ през цялата верига, и тези токове са по-големи с определен брой пъти, който се нарича качествен фактор. Тези големи токове не напускат границите на веригата, тъй като са извън фаза и се компенсират. Заслужава да се отбележи също, че съпротивлението на паралелна осцилационна верига клони към безкрайност при резонансната честота (за разлика от последователната осцилационна верига, чието съпротивление клони към нула при резонансната честота), и това го прави незаменим филтър.

Струва си да се отбележи, че в допълнение към обикновена осцилаторна верига има и осцилаторни вериги от първи, втори и трети вид, които отчитат загубите и имат други характеристики.

Принудени електромагнитни трептениянаречени периодични промени в силата на тока и напрежението в електрическа верига, възникващи под действието на променлива ЕМП от външен източник. Външен източник на ЕМП в електрическите вериги са алтернаторите, работещи в електроцентрали.

Принципът на работа на алтернатора е лесен за показване, когато се разглежда въртяща се рамка от проводник в магнитно поле.

В еднородно магнитно поле с индукция B поставяме правоъгълна рамка, образувана от проводници (abсd).

Нека равнината на рамката е перпендикулярна на индукцията на магнитното поле B и нейната площ е равна на S.

Магнитният поток в момент t 0 \u003d 0 ще бъде равен на Ф \u003d V * 8.

При равномерно въртене на рамката около оста OO 1 с ъглова скорост w, магнитният поток, проникващ в рамката, ще се промени във времето според закона:

Промяната в магнитния поток възбужда в рамката на ЕМП индукция, равна на

където E 0 \u003d VSw е амплитудата на ЕМП.

Ако с помощта на плъзгащи се пръстени и четки, плъзгащи се по тях, свържем краищата на рамката с електрическа верига, тогава под действието на индукционната ЕМП, която се променя във времето според хармоничен закон, ще се появят принудителни хармонични колебания на тока възникват в електрическата верига - променлив ток.

На практика синусоидалната ЕМП се възбужда не чрез въртене на рамката в магнитно поле, а чрез въртене на магнит или електромагнит (ротор) вътре в статора - неподвижни намотки, навити върху сърцевини от мек магнитен материал. В тези намотки има променлива ЕМП, което позволява да се избегне облекчаване на напрежението с помощта на контактни пръстени.

Резонансно явление се отнася до най-важните свойства на електрическите вериги от практическа гледна точка. Тя се крие във факта, че електрическа верига, която има реактивни елементи, има чисто резистивно съпротивление.

Общо резонансно състояние за всяка двутерминална мрежа може да се формулира като Im[ З]=0 или Im[ Y]=0, където Зи Yкомплексно съпротивление и проводимост на двуполюсна мрежа. Следователно режимът на резонанс се определя изцяло от параметрите на електрическата верига и не зависи от външни влияния върху нея от източници на електрическа енергия.

соленоиднаречен проводник, усукан в спирала, през който преминава електрически ток (Фигура 1, а).

Ако мислено изрежете завъртанията на соленоида напречно, означете посоката на тока в тях, както е посочено по-горе, и определете посоката на линиите на магнитната индукция според "правилото на гимлета", тогава магнитното поле на цялото соленоидът ще изглежда така, както е показано на фигура 1, b.

Фигура 1. Соленоид ( а) и неговото магнитно поле ( b)

Фигура 2. Компютърен модел на соленоид

На оста на безкрайно дълъг соленоид, на всяка единица дължина от който е навита н 0 оборота, силата на магнитното поле вътре в соленоида се дава от:

з = аз × н 0 .

На мястото, където магнитните линии влизат в соленоида, се образува южният полюс, където излизат - северният полюс.

За да се определят полюсите на соленоида, се използва "правилото на гимлета", като се прилага по следния начин: ако поставите гимлета по оста на соленоида и го завъртите по посока на тока в завоите на соленоида, , тогава транслационното движение на гимлета ще покаже посоката на магнитното поле (Фигура 3).

Видео за соленоида:

Електромагнит

Соленоид със стоманена (желязна) сърцевина вътре се нарича електромагнит(снимка 4 и 5). Магнитното поле на електромагнита е по-силно от това на соленоида, тъй като парчето стомана, вградено в соленоида, е намагнетизирано и полученото магнитно поле се усилва. Полюсите на електромагнит, както и на соленоид, могат да бъдат определени според "правилото на гимлета".

Фигура 5. Електромагнитна намотка

Електромагнитите се използват широко в инженерството. Те служат за създаване на магнитно поле в електрически генератори и двигатели, в електроизмервателни уреди, електрически апарати и други подобни.

При инсталации с висока мощност се използват автоматични, маслени и въздушни прекъсвачи вместо предпазители за изключване на повреден участък от веригата. Различни релета се използват за задействане на спирачните бобини на прекъсвачите. Релетата са устройства или машини, които реагират на промени в тока, напрежението, мощността, честотата и други параметри.

От голям брой релета, различни по предназначение, принцип на работа и дизайн, ще разгледаме накратко устройството на електромагнитните релета. Фигура 6 показва дизайна на тези релета. Работата на релето се основава на взаимодействието на магнитното поле, създадено от неподвижната намотка, през която преминава токът, и стоманената подвижна арматура на електромагнита. Когато работните условия в главната токова верига се променят, намотката на релето се задейства, магнитният поток на сърцевината издърпва нагоре (завърта или прибира) арматурата, която затваря контактите на веригата, която изключва задвижващите намотки на маслената и въздушната верига прекъсвачи или спомагателни релета.

Фигура 6. Електромагнитно реле

Релетата са намерили приложение и в автоматиката и телемеханиката.

Магнитният поток на соленоид (електромагнит) се увеличава с увеличаване на броя на завоите и тока в него. Магнетизиращата сила зависи от произведението на тока и броя на навивките (броя на ампер навивките).

Ако например вземем соленоид, чиято намотка преминава през ток от 5 A и чийто брой навивки е 150, тогава броят на ампер-навивките ще бъде 5 × 150 = 750. Същият магнитен поток ще се получава, ако вземем 1500 навивки и прекараме през тях ток от 0,5 A, тъй като 0,5 × 1500 = 750 ампер навивки.

Можете да увеличите магнитния поток на соленоида по следните начини: 1) поставете стоманена сърцевина в соленоида, превръщайки го в електромагнит; 2) увеличаване на напречното сечение на стоманената сърцевина на електромагнита (тъй като при даден ток, сила на магнитното поле и следователно магнитна индукция, увеличаването на напречното сечение води до увеличаване на магнитния поток); 3) намалете въздушната междина на сърцевината на електромагнита (тъй като с намаляването на пътя на магнитните линии през въздуха, магнитното съпротивление намалява).

Видео за електромагнита: