Solenoidi - dizajn, rad, primjena. Najoptimalnije opcije upravljanja solenoidom

Solenoid naziva se cilindrični namotaj žice, čiji su zavoji usko namotani u jednom smjeru, a dužina zavojnice je znatno veća od polumjera zavoja.

Magnetno polje solenoida može se predstaviti kao rezultat zbrajanja polja stvorenih od nekoliko kružnih struja koje imaju zajedničku os. Slika 3 pokazuje da unutar solenoida linije magnetske indukcije svakog pojedinačnog zavoja imaju isti smjer, dok između susjednih zavoja imaju suprotan smjer.

Stoga, s dovoljno gustim namotajem solenoida, suprotno usmjereni dijelovi magnetskih indukcionih linija susjednih zavoja međusobno se uništavaju, a jednako usmjereni dijelovi spojit će se u zajedničku liniju magnetske indukcije koja prolazi unutar solenoida i obavija ga izvana . Proučavanje ovog polja pomoću piljevine pokazalo je da je unutar solenoida polje jednolično, magnetske linije su prave linije paralelne osi solenoida, koje se na njegovim krajevima razilaze i zatvaraju izvan solenoida (slika 4).

Lako je uočiti sličnost između magnetnog polja solenoida (izvan njega) i magnetnog polja stalnog šipkastog magneta (slika 5). Kraj solenoida iz kojeg izlaze magnetne linije sličan je sjevernom polu magneta N, drugi kraj solenoida, u koji ulaze magnetne linije, sličan je južnom polu magneta S.

Polovi solenoida sa strujom mogu se lako odrediti eksperimentalno pomoću magnetne igle. Poznavajući smjer struje u zavoju, ovi polovi se mogu odrediti pomoću pravila desnog vijka: okrećemo glavu desnog vijka prema struji u zavoju, a zatim kretanje napred vrh zavrtnja pokazat će smjer magnetsko polje solenoid, a samim tim i njegov sjeverni pol. Modul magnetske indukcije unutar jednoslojnog solenoida izračunava se po formuli

B = μμ 0 NI l = μμ 0 nl,

Gdje Ν - broj okreta u solenoidu, I— dužina solenoida, n- broj zavoja po jedinici dužine solenoida.

Magnetizacija magneta. Vektor magnetizacije.

Ako struja teče kroz provodnik, tada se oko vodiča stvara MF. Do sada smo gledali žice kroz koje su struje tekle u vakuumu. Ako su žice koje vode struju u nekom mediju, tada m.p. promjene. Ovo se objašnjava činjenicom da je pod uticajem m.p. bilo koja supstanca je sposobna steći magnetski moment ili biti magnetizirana (tvar postaje magnetna). Supstance koje su magnetizovane u spoljašnjem mp. protiv pravca polja se nazivaju dijamagnetnih materijala. Supstance koje su slabo magnetizirane u vanjskom magnetskom polju. u pravcu polja se nazivaju paramagnetni materijali Magnetizirana supstanca stvara magnetno polje. - , ovo je m.p. naloženo na m.p., uzrokovano strujama - . Tada je rezultirajuće polje: . (54.1) Pravo (mikroskopsko) polje u magnetu jako varira unutar međumolekularnih udaljenosti. - prosječno makroskopsko polje. Za objašnjenje magnetizacija tijela Ampere je sugerirao da u molekulima tvari kruže kružne mikroskopske struje uzrokovane kretanjem elektrona u atomima i molekulama. Svaka takva struja ima magnetni moment i stvara magnetno polje u okolnom prostoru. Ako nema vanjskog polja, tada su molekularne struje nasumično orijentirane, a rezultirajuće polje zbog njih jednako je 0. Magnetizacija je vektorska veličina jednaka magnetnom momentu jedinične zapremine magneta: , (54.3) gdje je fizički beskonačno mali volumen uzet u blizini tačke koja se razmatra; - magnetni moment pojedinačnog molekula. Zbrajanje se vrši preko svih molekula sadržanih u zapremini (zapamti gde, - polarizacija dielektrik, - dipolni element ). Magnetizacija se može predstaviti na sljedeći način: Magnetizirajuće struje I". Magnetizacija tvari je povezana s preferencijalnom orijentacijom magnetnih momenata pojedinih molekula u jednom smjeru. Elementarne kružne struje povezane sa svakim molekulom nazivaju se molekularni. Molekularne struje ispostavi da su orijentisani, tj. nastaju struje magnetiziranja - . Struje koje teku kroz žice zbog kretanja nosilaca struje u tvari nazivaju se struje provodljivosti -. Za elektron koji se kreće po kružnoj orbiti u smjeru kazaljke na satu; struja je usmjerena suprotno od kazaljke na satu i, prema pravilu desnog zavrtnja, usmjerena je okomito prema gore. Cirkulacija vektora magnetizacije prema bilo kojem zatvorena petlja jednak algebarski zbir struje magnetiziranja pokrivene krugom G. Diferencijalni oblik pisanja teoreme vektorske cirkulacije. Jačina magnetnog polja (standardna oznaka N) — vektor fizička količina, jednak razlici vektora magnetske indukcije B i vektor magnetizacije M. u SI: gdje - magnetna konstanta. U najjednostavnijem slučaju, izotropno (prema magnetna svojstva) okoline i u aproksimaciji dovoljno niskih frekvencija promjena polja B I H jednostavno proporcionalni jedni drugima, razlikuju se jednostavno numeričkim faktorom (ovisno o okruženju) B = μ H u sistemu GHS ili B = μ 0 μ H u sistemu SI(cm. Magnetna permeabilnost, također vidi Magnetna osetljivost). U sistemu GHS jačina magnetnog polja se meri u Oerstedach(E), u SI sistemu - u amperima po metar(A/m). U tehnologiji, oersted se postepeno zamjenjuje SI jedinicom - amper po metru. 1 E = 1000/(4π) A/m ≈ 79,5775 A/m. 1 A/m = 4π/1000 Oe ≈ 0,01256637 Oe. Fizičko značenje U vakuumu (ili u nedostatku medija sposobnog za magnetnu polarizaciju, kao iu slučajevima kada je potonja zanemarljiva), jačina magnetnog polja poklapa se sa vektorom magnetske indukcije do koeficijenta jednakog 1 u CGS i μ 0 u SI. IN magneti(magnetna okruženja) jačina magnetnog polja ima fizičko značenje„eksterno“ polje, odnosno poklapa se (možda, u zavisnosti od prihvaćenih mernih jedinica, do konstantni koeficijent, kao na primjer u SI sistemu, koji ne mijenja opšte značenje) s takvim vektorom magnetske indukcije kao što je „bilo bi da nema magneta“. Na primjer, ako polje stvara zavojnica sa strujom u koju je umetnuto željezno jezgro, tada jačina magnetnog polja H unutar jezgra se poklapa (u GHS tačno, au SI - do konstantnog dimenzionalnog koeficijenta) sa vektorom B 0, koje bi ovaj kalem stvorio u nedostatku jezgre i koji se, u principu, može izračunati na osnovu geometrije zavojnice i struje u njemu, bez ikakvog Dodatne informacije o materijalu jezgra i njegovim magnetnim svojstvima. Treba imati na umu da je fundamentalnija karakteristika magnetnog polja vektor magnetske indukcije B . On je taj koji određuje jačinu magnetnog polja na pokretne naelektrisane čestice i struje, a može se i direktno meriti, dok jačina magnetnog polja H može se smatrati prije pomoćnom veličinom (iako ju je lakše izračunati, barem u statičkom slučaju, u čemu leži njena vrijednost: uostalom H stvoriti tzv slobodne struje, koje je relativno lako direktno izmjeriti, dok je one koje je teško izmjeriti pridružene struje- odnosno molekularne struje itd. - ne treba uzeti u obzir). Istina, uobičajeni izraz za energiju magnetnog polja (u mediju) B I H uključene su gotovo podjednako, ali moramo imati na umu da ova energija uključuje i energiju utrošenu na polarizaciju medija, a ne samo energiju samog polja. Energija magnetskog polja kao takvog izražava se samo kroz osnovnu B . Ipak, jasno je da vrijednost H fenomenološki i ovde je vrlo zgodno. Vrste magnetnih materijala Dijamagnetni materijali imaju magnetnu permeabilnost nešto manju od 1. Razlikuju se po tome što su potisnuti iz područja magnetnog polja. Paramagneti imaju magnetnu permeabilnost nešto veću od 1. Ogromna većina materijala je dija- i paramagnetna. Feromagneti imaju izuzetno visoku magnetnu permeabilnost, koja dostiže i do milion. Kako polje jača, pojavljuje se fenomen histereze, kada se s povećanjem intenziteta i naknadnim smanjenjem intenziteta vrijednosti B(H) ne poklapaju jedna s drugom. U literaturi postoji nekoliko definicija magnetske permeabilnosti. Početna magnetna permeabilnost m n- vrijednost magnetne permeabilnosti pri maloj jačini polja. Maksimalna magnetna permeabilnost m max - maksimalna vrijednost magnetna permeabilnost, koja se obično postiže u prosječnim magnetnim poljima. Od ostalih osnovnih pojmova koji karakterišu magnetnih materijala, napominjemo sljedeće. Magnetizacija zasićenja- maksimalna magnetizacija koja se postiže u jaka polja, kada sve magnetni momenti domeni su orijentisani duž magnetnog polja. Histerezna petlja- zavisnost indukcije od jačine magnetnog polja kada se polje menja u ciklusu: porasti do određenu vrijednost- smanjenje, prelaz kroz nulu, nakon dostizanja iste vrijednosti sa suprotnim predznakom - povećanje, itd. Maksimalna petlja histereze- dostizanje maksimalne magnetizacije zasićenja. Preostala indukcija B odmor- indukcija magnetnog polja uključena obrnuti hod histerezne petlje pri nultoj jačini magnetnog polja. Koercitivna sila N s- jačina polja na povratnom hodu histerezne petlje pri kojoj se postiže nulta indukcija. Magnetski momenti atoma Magnetski trenutak Elementarne čestice imaju intrinzično kvantno mehaničko svojstvo poznato kao spin. Sličan je ugaonom momentu objekta koji rotira oko vlastitog centra mase, iako su, strogo govoreći, ove čestice točkaste čestice i o njihovoj rotaciji se ne može govoriti. Spin se mjeri u jedinicama reducirane Planckove konstante (), tada elektroni, protoni i neutroni imaju spin jednak ½. U atomu, elektroni kruže oko jezgra i imaju orbitalni ugaoni moment osim spina, dok samo jezgro ima ugaoni moment zbog nuklearnog spina. Ovim je određeno magnetsko polje koje stvara magnetni moment atoma razne forme ugaoni moment, Kao u klasična fizika Rotirajući nabijeni objekti stvaraju magnetsko polje. Međutim, najznačajniji doprinos dolazi od spina. Zbog svojstva elektrona, kao i svih fermiona, da poštuje Paulijevo pravilo isključenja, prema kojem dva elektrona ne mogu biti u istom kvantnom stanju, vezani elektroni se međusobno spajaju, a jedan od elektrona je u spin- gore, a drugo je spin-up sa suprotnom projekcijom spina - stanje sa spinom prema dolje. Dakle, magnetni momenti elektrona se smanjuju, smanjujući ukupni magnetni dipolni moment sistema na nulu u nekim atomima sa čak broj elektrona. U feromagnetnim elementima kao što je gvožđe, neparan broj elektrona dovodi do pojave nesparenog elektrona i do ukupnog magnetnog momenta različitog od nule. Orbitale susjednih atoma se preklapaju, i to najmanji energetsko stanje postignuto kada se svi okreću nesparenih elektrona usvojiti istu orijentaciju, proces poznat kao interakcija razmjene. Kada se magnetski momenti feromagnetnih atoma poravnaju, materijal može proizvesti mjerljivo makroskopsko magnetsko polje. Paramagnetski materijali se sastoje od atoma čiji su magnetni momenti pogrešno orijentisani u odsustvu magnetnog polja, ali su magnetni momenti pojedinačnih atoma poravnati kada se primeni magnetno polje. Jezgro atoma također može imati ukupni spin različit od nule. Tipično, u termodinamičkoj ravnoteži, nuklearni spinovi su nasumično orijentirani. Međutim, za neke elemente (kao što je ksenon-129) moguće je polarizirati značajan dio nuklearnih spinova kako bi se stvorilo spin-ko-usmjereno stanje, stanje koje se naziva hiperpolarizacija. Ovo stanje je važno primijenjena vrijednost u magnetnoj rezonanciji. Magnetno polje ima energiju. Kao što napunjeni kondenzator ima rezervu električna energija, u zavojnici kroz čije zavoje teče struja, postoji rezerva magnetske energije. Ako spojite električnu lampu paralelno sa zavojnicom visoke induktivnosti u električnom kolu jednosmerna struja, onda kada se ključ otvori, primećuje se kratak bljesak lampe. Pod uticajem nastaje struja u kolu Samoindukovana emf. Izvor energije koji se oslobađa u ovom slučaju je električni krug, je magnetsko polje zavojnice. Energija W m magnetnog polja zavojnice sa induktivnošću L koju stvara struja I jednaka je W m = LI 2 / 2

Uređaji i pribor: laboratorijska postavka sa solenoidom, napajanjem, milivoltmetrom, ampermetrom.

Kratka teorija

Solenoid naziva se cilindrični namotaj koji sadrži veliki broj zavoja žice kroz koje teče struja. Ako je korak spirale vodiča koji formira zavojnicu mali, tada se svaki zavoj sa strujom može smatrati zasebnim kružna struja, a solenoid - kao sistem serijski povezanih kružnih struja istog radijusa, koji imaju zajedničku os.

Magnetno polje unutar solenoida može se smatrati zbirom magnetskih polja stvorenih svakim okretom. Vektor indukcije magnetnog polja unutar solenoida je okomit na ravan zavoja, tj. je usmjeren duž ose solenoida i formira desni sistem sa smjerom prstenastih struja zavoja. Približna slika linija magnetnog polja solenoida prikazana je na Sl. 1. Linije magnetnog polja su zatvorene.

Na slici 2 prikazan je poprečni presjek solenoida dužine L i broja zavoja N i radijusa presjek R. Krugovi sa tačkama označavaju dijelove zavoja kroz koje teče struja I, usmjerena od crteža do nas, a krugovi sa križićima označavaju dijelove zavoja u kojima je struja usmjerena izvan crteža. Označavamo broj zavoja po jedinici dužine solenoida.

Indukcija magnetskog polja u tački A, koja se nalazi na osi solenoida, određena je integracijom magnetnih polja stvorenih svakim okretom, i jednaka je

, (1)

gdje i su uglovi formirani s osom solenoida radijus vektorima i povučeni od točke A do vanjskih zavoja solenoida, je magnetska permeabilnost medija, magnetna konstanta.

Dakle, magnetna indukcija B je direktno proporcionalna jačini struje, magnetskoj permeabilnosti medija koji ispunjava solenoid i broju zavoja po jedinici dužine. Magnetna indukcija također ovisi o položaju točke A u odnosu na krajeve solenoida. Razmotrimo nekoliko posebnih slučajeva:

1. Neka je tačka A u centru solenoida, tada , I . Ako je solenoid dovoljno dugačak, onda i 2)

2. Neka je tačka A u centru najudaljenijeg zavoja, onda , I . Ako je solenoid dovoljno dugačak, tada , i (3)

Iz formula (2) i (3) jasno je da je magnetna indukcija solenoida na njegovom rubu upola manja od njegove vrijednosti u centru.

3. Ako je dužina solenoida višestruko veća od radijusa njegovih zavoja
("beskonačno" dugačak solenoid), zatim za sve tačke koje leže unutra
solenoid na svojoj osi, možete staviti . Onda
polje se može smatrati uniformnim u središnjem dijelu solenoida i izračunati pomoću formule

Ujednačenost magnetnog polja je poremećena blizu ivica solenoida. U ovom slučaju, indukcija se može odrediti formulom

gdje je k koeficijent koji uzima u obzir nehomogenost polja.

Eksperimentalna studija Magnetno polje solenoida u ovom radu provodi se pomoću posebne sonde - male zavojnice postavljene unutar šipke s ravnalom. Os zavojnice se poklapa sa osom solenoida, zavojnica je spojena na milivoltmetar naizmjenična struja, čiji je ulazni otpor mnogo veći od otpora zavojnice sonde. Ako kroz solenoid teče naizmjenična struja standardne frekvencije (= 50 Hz), zatim se unutar solenoida i na njegovim rubovima indukcija naizmjeničnog magnetskog polja mijenja prema zakonu (vidi (5)):

Amplituda magnetske indukcije u ovoj formuli ovisi o položaju točke unutar solenoida. Ako postavite zavojnicu sonde u solenoid, onda u skladu sa zakonom elektromagnetna indukcija, proizlazi indukovana emf:

, (6)

gdje je N 1 broj zavoja u zavojnici, S je površina poprečnog presjeka zavojnice, F je magnetni tok (pošto se os zavojnice poklapa s osom solenoida i, prema tome, magnetna vektor indukcije je okomit na ravninu poprečnog presjeka zavojnice.).

Budući da se veličina indukcije B mijenja u skladu sa zakonom , , tada iz (6) dobijamo formulu za izračunavanje EMF-a:

Iz izraza (7) jasno je da amplituda EMF zavisi od . Dakle, mjerenjem amplitude EMF-a možemo odrediti:

Koeficijent k, koji uzima u obzir nehomogenost magnetnog polja solenoida na rubovima, može se odrediti pomoću formule. (5), znajući i:

(9)

gdje je amplituda naizmjenične struje koja prolazi kroz solenoid.

Iz formula (7) i (9) slijedi da je amplituda inducirane emf direktno proporcionalna amplitudi naizmjenične struje:

Ampermetar i milivoltmetar spojeni na krug naizmjenične struje mjere efektivne vrijednosti struje i emf, koje su povezane s amplitudama i omjerima:

Za efektivne vrijednosti struje i EMF, formula (10) ima oblik

(11)

Iz formule (11) proizilazi da je omjer proporcionalan koeficijentu K nehomogenosti indukcije magnetskog polja u tački solenoida gdje se mjere

(12)

gdje je A koeficijent proporcionalnosti.

U ovom radu potrebna su dva zadatka: 1) odrediti raspodjelu indukcije duž ose solenoida pri određenoj vrijednosti konstantne struje; 2) odrediti vrijednost koeficijenta k.

Sigurnosne mjere:

1. Nemojte samostalno povezivati ​​izvor napajanja i milivoltmetar na mrežu od 220 V.

2. Ne mijenjajte strujne krugove.

Ne dodirujte neizolovane delove strujnih kola.

3. Ne ostavljajte uključeno kolo bez nadzora.

Radni nalog

Zadatak br. 1. Proučavanje raspodjele indukcije magnetskog polja duž ose solenoida.

1. Sastavite mjerni krug prema dijagramu prikazanom na sl. 3. Da biste to učinili, spojite izvor napajanja i ampermetar na solenoidno kolo, a milivoltmetar na terminale zavojnice sonde (za mjerenje, zavojnica sonde ima). sledeći parametri: = 200 okreta, S = 2 * 10 -4 m 2, frekvencija naizmjenične struje = 50 Hz, Broj okreta po jedinici dužine solenoida n = 2400 1/m

1- laboratorijski stalak Z - štap"

2- kalem sonde

3- solenoid
5 ampermetar

6 - napajanje sa regulatorom izlaznog napona (struje), 7 - milivoltmetar.

2. Instalirajte šipku s ravnalom tako da zavojnica sonde bude približno u sredini solenoida.

3. Uključite napajanje solenoida i podesite struju solenoida (prema ampermetru) na = 25 mA. Uključite milivoltmetar i nakon zagrijavanja (5 minuta) očitajte.

4. Pomicanje štapa linearnom skalom, mjerite pomoću
milivoltmetar efektivna vrijednost indukovane emf kroz svaki
centimetar položaja lenjira. Koristeći formulu (8) izračunajte .
Rezultate mjerenja i proračuna unesite u tabelu 1 (imajte na umu).

Magnetno polje solenoida je superpozicija pojedinačnih polja koja se stvaraju svakim pojedinačnim okretom. Kroz sve zavoje teče ista struja. Osi svih zavoja leže na istoj liniji. Solenoid je zavojnica induktora cilindričnog oblika. Ovaj kalem je namotan od provodljive žice. U ovom slučaju, zavoji su položeni čvrsto jedni na druge i imaju isti smjer. U ovom slučaju, vjeruje se da dužina zavojnice značajno premašuje promjer zavoja.

Pogledajmo magnetnu indukciju koju stvara svaki okret. Može se vidjeti da je indukcija unutar svakog zavoja usmjerena u istom smjeru. Ako pogledate centar zavojnice, onda će se indukcija s njegovih rubova zbrajati. U ovom slučaju, indukcija magnetskog polja između dva susjedna zavoja usmjerena je u suprotnom smjeru. Pošto ga stvara ista struja, kompenzira se.

Slika 1 — Polje stvoreno pojedinačnim okretima solenoida

Ako su zavoji solenoida dovoljno čvrsto namotani, tada će se između svih zavoja kompenzirati protupolje, a unutar zavoja pojedinačna polja će se dodati u jedno zajedničko. Linije ovog polja proći će unutar solenoida i pokriti ga izvana.

Ako na bilo koji način ispitate magnetsko polje unutar solenoida, na primjer, pomoću željeznih strugotina, možete zaključiti da je ono homogeno. Linije magnetnog polja u ovoj oblasti su paralelne prave linije. Ne samo da su paralelne sa sobom, već su paralelne i sa osom solenoida. Idući izvan prolaza solenoida, oni se savijaju i zatvaraju izvan zavojnice.

Slika 2 – Polje koje stvara solenoid

Na slici se može vidjeti da je polje koje stvara solenoid slično polju koje stvara trajni šipkast magnet. Na jednom kraju dalekovodi izaći iz solenoida i ovaj kraj je sličan sjevernom polu permanentni magnet. I ulaze u drugi, a ovaj kraj odgovara južnom polu. Razlika je u tome što je polje prisutno i unutar solenoida. A ako provedete eksperiment sa željeznim strugotinama, oni će biti uvučeni u prostor između zavoja.

Ali ako se unutar solenoida umetne drvena jezgra ili jezgra napravljena od bilo kojeg drugog nemagnetnog materijala, tada će prilikom provođenja eksperimenta sa željeznim strugotinama, obrazac polja trajnog magneta i solenoida biti identičan. Budući da drvena jezgra neće iskriviti električne vodove, ali neće dopustiti da piljevina prodre unutar zavojnice.

Slika 3 — Slika polja stalnog šipkastog magneta

Za određivanje polova solenoida može se koristiti nekoliko metoda. Na primjer, najjednostavniji je korištenje magnetne igle. Privući će ga suprotni pol magneta. Ako je poznat smjer struje u zavojnici, polovi se mogu odrediti pomoću pravila desnog zavrtnja. Ako zakrenete glavu desnog zavrtnja u smjeru struje, translacijsko kretanje će ukazati na smjer polja u solenoidu. A znajući da je polje usmjereno od sjevernog pola prema jugu, možete odrediti koji se pol nalazi.

Solenoid je dugačak, tanak namotaj, odnosno zavojnica čija je dužina mnogo veća od njenog prečnika (takođe se u daljim proračunima ovde podrazumeva da je debljina namotaja mnogo manja od prečnika zavojnice). Pod ovim uslovima i bez upotrebe magnetnog materijala, gustina magnetni fluks unutar zavojnice je praktično konstantna i (približno) jednaka

gdje je magnetna konstanta, broj zavoja, struja i dužina zavojnice. Zanemarujući ivične efekte na krajevima solenoida, nalazimo da je veza fluksa kroz zavojnicu jednaka gustoći fluksa pomnoženoj s površinom poprečnog presjeka i brojem zavoja:

Iz ovoga slijedi formula za induktivnost solenoida (bez jezgre):

Ako je zavojnica iznutra potpuno ispunjena magnetnim materijalom (jezgrom), tada se induktivnost razlikuje za faktor - relativna magnetska permeabilnost jezgre:

U slučaju kada , možete (trebali) pod S razumjeti površinu poprečnog presjeka jezgre i koristiti ovu formulu čak i sa debelim namotajem, osim ako ukupne površine Površina poprečnog presjeka zavojnice ne prelazi višestruko površinu poprečnog presjeka jezgre.

Preciznije formule za solenoid konačne veličine

Za jednoslojni (veoma tanko namotan) solenoid konačnih dimenzija (ne beskonačno dug) postoje precizniji, iako više složene formule :

Broj okreta,

Radijus cilindra,

Dužina njegove generatrikse,

Eliptički integrali.

Transformator.

Energija magnetnog polja. Osnove Maxwellove teorije. Maxwellove jednadžbe u integralnom obliku. Električni oscilatorno kolo

. Prigušene elektromagnetne oscilacije. Prisilne elektromagnetne oscilacije. Fenomen rezonancije Oscilatorno kolo

- oscilator, koji je električni krug koji sadrži spojeni induktor i kondenzator. U takvom kolu mogu biti pobuđene fluktuacije struje (i napona). Oscilatorno kolo - najjednostavniji sistem

, u kojem se mogu javiti slobodne elektromagnetne oscilacije

Rezonantna frekvencija kruga određena je takozvanom Thomsonovom formulom:

Princip rada Neka kondenzator ima kapacitet C

napunjen na napon. Energija pohranjena u kondenzatoru je Kada je kondenzator spojen na induktivnu zavojnicu, struja će teći u krugu, što će uzrokovati elektromotornu silu (EMF) samoindukcije u zavojnici, usmjerenu na smanjenje struje u kolu. Struja uzrokovana ovim EMF-om (u odsustvu gubitaka u induktivnosti) u početnom trenutku će biti pražnjenje kondenzatora, odnosno rezultujuća struja će biti nula. Magnetska energija zavojnice u ovom (početnom) trenutku je nula.

Tada će se rezultirajuća struja u krugu povećati, a energija iz kondenzatora će proći u zavojnicu dok se kondenzator potpuno ne isprazni. U ovom trenutku električna energija kondenzatora. Magnetska energija koncentrisana u zavojnici je, naprotiv, maksimalna i jednaka

Gdje je induktivnost zavojnice, je maksimalna vrijednost struje.

Nakon toga će započeti punjenje kondenzatora, odnosno punjenje kondenzatora naponom različitog polariteta. Punjenje će se nastaviti sve dok se magnetna energija zavojnice ne pretvori u električnu energiju kondenzatora. Kondenzator će u ovom slučaju ponovo biti napunjen na napon.

Kao rezultat, u krugu se javljaju oscilacije čije će trajanje biti obrnuto proporcionalno gubicima energije u krugu.

Općenito, gore opisani procesi u paralelnom oscilatornom krugu nazivaju se strujna rezonanca, što znači da kroz induktivitet i kapacitivnost teku struje, veće od struje koja prolazi kroz cijeli krug, a te struje su veće za određeni broj puta, koji se naziva faktor kvaliteta. Ove velike struje ne napuštaju strujni krug, jer su van faze i kompenziraju se same. Također je vrijedno napomenuti da otpor paralelnog oscilatornog kruga na rezonantnoj frekvenciji teži beskonačnosti (za razliku od serijskog oscilatornog kruga, čiji otpor teži nuli na rezonantnoj frekvenciji), i to ga čini nezamjenjivim filterom.

Vrijedi napomenuti da osim jednostavnog oscilatornog kruga, postoje i oscilatorni krugovi prve, druge i treće vrste, koji uzimaju u obzir gubitke i imaju druge karakteristike.

Prisilne elektromagnetne oscilacije nazivaju se periodične promjene struje i napona u električnom kolu koje nastaju pod utjecajem naizmjenične emf od eksterni izvor. Vanjski izvor EMF u električnim krugovima su generatori naizmjenične struje koji rade u elektranama.

Princip rada generatora naizmjenične struje može se lako demonstrirati ispitivanjem rotirajućeg okvira žice u magnetskom polju.

U jednolično magnetsko polje sa indukcijom B postavljamo pravougaoni okvir formiran od provodnika (absd).

Neka je ravnina okvira okomita na indukciju magnetskog polja B i njena površina jednaka S.

Magnetski fluks u trenutku t 0 = 0 će biti jednak F = V*8.

Ujednačenom rotacijom okvira oko OO 1 ose sa ugaonom brzinom w, magnetni fluks koji prodire kroz okvir će se vremenom menjati prema zakonu:

Promjena magnetnog fluksa pobuđuje indukciju u okviru EMF jednaku

gdje je E 0 = BSw amplituda EMF.

Ako se pomoću kliznih prstenova i četkica koje klize duž njih, krajevi okvira spoje u električni krug, tada će pod utjecajem induktivne emf, koja se s vremenom mijenja prema harmonijskom zakonu, nastati prisilne harmonijske oscilacije jačine struje u električnom kolu - naizmjenična struja.

U praksi se sinusoidni EMF pobuđuje ne rotacijom okvira u magnetskom polju, već rotacijom magneta ili elektromagneta (rotora) unutar statora - stacionarnih namotaja namotanih na jezgre od mekog magnetskog materijala. U ovim namotajima postoji naizmjenični EMF, koji izbjegava uklanjanje napona pomoću kliznih prstenova.

Fenomen rezonancije odnosi se na najvažnija svojstva električnih kola sa praktične tačke gledišta. Leži u činjenici da električno kolo koje sadrži reaktivne elemente je čisto otporno.

Opće stanje rezonancije za bilo koju mrežu sa dva terminala može se formulisati kao Im[ Z]=0 ili ja[ Y]=0, gdje Z I Y kompleksni otpor i provodljivost mreže sa dva terminala. Posljedično, rezonantni način je u potpunosti određen parametrima električnog kola i ne ovisi o spoljni uticaj na njemu iz izvora električne energije.

Solenoid naziva se provodnik uvijen u spiralu kroz koji se prolazi struja(slika 1, A).

Ako mentalno presiječete zavoje solenoida, odredite smjer struje u njima, kao što je gore navedeno, i odredite smjer linija magnetske indukcije prema "pravilu gimleta", tada će magnetsko polje cijelog solenoida imaju oblik kao što je prikazano na slici 1, b.

Slika 1. Solenoid ( A) i njegovo magnetsko polje ( b)

Slika 2. Model računara solenoid

Na osi beskonačno dugog solenoida, na čiju je svaku jedinicu dužine namotana n 0 zavoja, jačina magnetnog polja unutar solenoida određena je formulom:

H = I × n 0 .

Na mjestu gdje magnetske linije ulaze u solenoid, a Južni pol, gdje se pojavljuju je Sjeverni pol.

Da bi odredili polove solenoida, koriste "pravilo gimleta", primjenjujući ga na sljedeći način: ako postavite gimlet duž osi solenoida i zarotirate ga u smjeru struje u zavojima solenoida, tada translacijsko pomicanje gimleta će pokazati smjer magnetskog polja (slika 3).

Video o solenoidu:

Elektromagnet

Zove se solenoid sa čeličnim (gvozdenim) jezgrom unutra elektromagnet(Slike 4 i 5). Magnetno polje elektromagneta je jače od polja solenoida jer se komad čelika umetnut u solenoid magnetizira i rezultirajuće magnetsko polje je ojačano. Polovi elektromagneta mogu se odrediti, baš kao i polovi solenoida, koristeći „pravilo gimleta“.

Slika 5. Zavojnica elektromagneta

Elektromagneti se široko koriste u tehnici. Koriste se za stvaranje magnetnog polja u električnim generatorima i motorima, u električnim mjernim instrumentima, električnim uređajima i slično.

U instalacijama velike snage, umjesto osigurača, koriste se automatski, uljni i zračni prekidači za isključivanje oštećenog dijela strujnog kruga. Različiti releji se koriste za aktiviranje okidača prekidača. Releji su uređaji ili strojevi koji reagiraju na promjene struje, napona, snage, frekvencije i drugih parametara.

Od veliki broj releja, različitih po svojoj namjeni, principu rada i dizajnu, razmotrimo ukratko dizajn elektromagnetnih releja. Slika 6 prikazuje dizajn ovih releja. Rad releja temelji se na interakciji magnetskog polja koje stvara stacionarni namotaj kroz koji prolazi struja i čelične pokretne armature elektromagneta. Kada se promijene radni uvjeti u glavnom strujnom krugu, zavojnica releja se pobuđuje, magnetni tok jezgre povlači (okreće ili uvlači) armaturu, koja zatvara kontakte kola, isklopni kalem pogona ulja i zraka prekidača ili pomoćnih releja.

Slika 6. Elektromagnetski relej

Releji su takođe našli primenu u automatizaciji i telemehanici.

Magnetski tok solenoida (elektromagneta) raste s brojem zavoja i strujom u njemu. Sila magnetiziranja ovisi o proizvodu struje i broja zavoja (broj amper-zavoja).

Ako, na primjer, uzmemo solenoid čiji namotaj nosi struju od 5 A i čiji je broj zavoja 150, tada će broj amper-zavoja biti 5 × 150 = 750. Isti magnetni tok će se dobiti ako uzimamo 1500 zavoja i kroz njih propuštamo struju od 0,5 Ah, budući da je 0,5 × 1500 = 750 amper-zavoja.

Magnetni tok solenoida može se povećati na sljedeće načine: 1) umetnuti čelično jezgro u solenoid, pretvarajući ga u elektromagnet; 2) povećati poprečni presek čeličnog jezgra elektromagneta (pošto, s obzirom na struju, jačinu magnetnog polja, a samim tim i magnetnu indukciju, povećanje poprečnog preseka dovodi do povećanja magnetnog fluksa); 3) smanjiti zračni zazor jezgre elektromagneta (od kada se smanjuje udaljenost magnetne linije magnetni otpor se smanjuje kroz zrak).

Video o elektromagnetu: