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

solenoid naziva se zavojnica cilindričnog oblika izrađena od žice, čiji su zavoji usko namotani u jednom smjeru, a duljina zavojnice je mnogo 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 pojedinog zavoja imaju isti smjer, dok između susjednih zavoja imaju suprotan smjer.

Stoga, s dovoljno gustim namotom solenoida, suprotno usmjereni dijelovi magnetskih indukcijskih vodova susjednih zavoja međusobno se poništavaju, a jednako usmjereni dijelovi spajaju se u zajedničku liniju magnetske indukcije koja prolazi unutar solenoida i prekriva ga od vani. Proučavanje ovog polja pomoću piljevine pokazalo je da je polje unutar solenoida jednolično, magnetske linije su ravne linije paralelne s osi solenoida, koje se na njegovim krajevima razilaze i zatvaraju izvan solenoida (slika 4.).

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

Polove solenoida sa strujom lako je eksperimentalno odrediti pomoću magnetske igle. Poznavajući smjer struje u zavojnici, ovi se polovi mogu odrediti pomoću pravila desnog vijka: zakrećemo glavu desnog vijka u skladu sa strujom u zavojnici, tada će translacijsko kretanje vrha vijka označavaju smjer magnetskog polja solenoida, a time i njegovog sjevernog pola. Modul magnetske indukcije unutar jednoslojnog solenoida izračunava se po formuli

B = μμ 0 NI l = μμ 0 nl,

gdje Ν je broj zavoja u solenoidu, ja je duljina solenoida, n je broj zavoja po jedinici duljine solenoida.

Magnetizacija magneta. Vektor magnetizacije.

Ako kroz vodič teče struja, tada se oko vodiča stvara magnetsko polje. Do sada smo razmatrali žice kroz koje su struje tekle u vakuumu. Ako su žice koje vode struju u određenom okruženju, tada m.p. promjene. To se objašnjava činjenicom da je pod djelovanjem m.p. bilo koja tvar je sposobna steći magnetski moment ili biti magnetizirana (tvar postaje magnetski). Tvari koje su magnetizirane u vanjskom m.p. protiv smjera polja nazivaju se dijamagneti. Tvari koje su slabo magnetizirane u vanjskom t.t. u smjeru polja nazivaju se paramagneti Magnetizirana tvar stvara m.p. - , ovo je m.p. naloženo na mp, zbog struja - . Zatim rezultirajuće polje: . (54.1) Pravo (mikroskopsko) polje u magnetu jako varira unutar granica međumolekularnih udaljenosti. je prosječno makroskopsko polje. Za objašnjenje magnetizacija tijela Ampere je sugerirao da kružne mikroskopske struje kruže u molekulama tvari, zbog kretanja elektrona u atomima i molekulama. Svaka takva struja ima magnetski moment i stvara magnetsko polje u okolnom prostoru. Ako nema vanjskog polja, tada su molekularne struje nasumično orijentirane, a rezultirajuće polje zbog njih je 0. Magnetizacija je vektorska veličina jednaka magnetskom momentu po jedinici volumena magneta: , (54.3) gdje je fizički beskonačno mali volumen uzet u blizini točke koja se razmatra; je magnetski moment pojedine molekule. Zbrajanje se vrši preko svih molekula sadržanih u volumenu (sjetite se gdje, - polarizacija dielektrik, - dipolni element ). Magnetizacija se može predstaviti na sljedeći način: Magnetizirajuće struje I". Magnetizacija tvari povezana je s pretežnom orijentacijom magnetskih momenata pojedinih molekula u jednom smjeru. Elementarne kružne struje povezane sa svakom molekulom nazivaju se molekularni. Pokazalo se da su molekularne struje orijentirane, t.j. javljaju se struje magnetiziranja. Struje koje teku kroz žice, zbog kretanja nositelja struje u tvari, nazivaju se strujama vodljivosti -. 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 vijka, usmjerena je okomito prema gore. Kruženje vektora magnetizacije duž proizvoljnog zatvorenog kruga jednak je algebarskom zbroju struja magnetizacije koje pokriva G krug. Diferencijalni oblik teorema vektorske cirkulacije. Jačina magnetskog polja (standardna oznaka H) je vektorska fizička veličina jednaka razlici vektora magnetske indukcije B i vektor magnetizacije M. u SI: gdje - magnetska konstanta. U najjednostavnijem slučaju izotropnog (u smislu magnetskih svojstava) medija i u aproksimaciji dovoljno niskih frekvencija promjene polja B i H jednostavno su međusobno proporcionalni, razlikuju se samo brojčanim faktorom (ovisno o okruženju) B = μ H u sustavu GHS ili B = μ 0 μ H u sustavu SI(cm. Magnetska propusnost, vidi također Magnetska osjetljivost). U sustavu GHS jačina magnetskog polja se mjeri u oersteds(E), u SI sustavu - u amperima po metar(A/m). U tehnologiji se oersted postupno zamjenjuje SI jedinicom - amper po metru. 1 Oe \u003d 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 magnetsku polarizaciju, kao i u slučajevima kada je potonja zanemariva), jakost magnetskog polja poklapa se s vektorom magnetske indukcije do faktora jednakog 1 u CGS i μ 0 u SI. NA magneti(magnetski medij) jačina magnetskog polja ima fizičko značenje “vanjskog” polja, odnosno poklapa se (možda, ovisno o mjernim jedinicama, do konstantnog koeficijenta, kao u SI sustavu, koji ne promijeniti opće značenje) s takvom vektorskom magnetskom indukcijom, što bi "bilo da nema magneta". Na primjer, ako polje stvara zavojnica sa strujom u koju je umetnuta željezna jezgra, tada jačina magnetskog polja H unutar jezgre se poklapa (u GHS točno, a u SI - do konstantnog dimenzionalnog koeficijenta) s vektorom B 0 , koju bi ova zavojnica stvorila u nedostatku jezgre i koja se u principu može izračunati na temelju geometrije zavojnice i struje u njoj, bez ikakvih dodatnih informacija o materijalu jezgre i njezinoj magnetskoj Svojstva. Istodobno, treba imati na umu da je temeljnija karakteristika magnetskog polja vektor magnetske indukcije B . On je taj koji određuje snagu magnetskog polja na pokretne nabijene čestice i struje, a može se i izravno mjeriti, dok je jakost magnetskog polja H može se smatrati prije pomoćnom veličinom (iako ju je lakše izračunati, barem u statičkom slučaju, što je njegova vrijednost: uostalom, H stvoriti tzv slobodne struje, koje je relativno lako izravno izmjeriti, ali teško izmjeriti spregnute struje– odnosno molekularne struje i sl. – ne treba uzeti u obzir). Istina, u uobičajenom izrazu za energiju magnetskog polja (u mediju) B i H ulaze gotovo jednako, ali se mora imati na umu da ta energija uključuje energiju koja se troši na polarizaciju medija, a ne samo energiju samog polja. Energija magnetskog polja kao takvog izražava se samo kroz temeljnu B . Međutim, jasno je da vrijednost H fenomenološki i ovdje je vrlo zgodno. Vrste magneta Dijamagneti imaju magnetsku permeabilnost nešto manju od 1. Razlikuju se po tome što su istisnuti iz magnetskog polja. Paramagneti imaju magnetsku permeabilnost nešto veću od 1. Velika većina materijala je dija- i paramagnetna. feromagneti imaju iznimno visoku magnetsku propusnost, koja seže do milijun. Kako se polje povećava, pojavljuje se fenomen histereze, kada se, s povećanjem intenziteta i s naknadnim smanjenjem intenziteta, vrijednosti B (H) ne podudaraju jedna s drugom. U literaturi postoji nekoliko definicija magnetske permeabilnosti. Početna magnetska permeabilnost m n- vrijednost magnetske propusnosti pri maloj jakosti polja. Maksimalna magnetska propusnost m max- maksimalna vrijednost magnetske permeabilnosti, koja se obično postiže u srednjim magnetskim poljima. Od ostalih osnovnih pojmova koji karakteriziraju magnetske materijale, napominjemo sljedeće. Magnetizacija zasićenja- maksimalna magnetizacija, koja se postiže u jakim poljima, kada su svi magnetski momenti domena orijentirani duž magnetskog polja. Histerezna petlja- ovisnost indukcije o jakosti magnetskog polja kada se polje mijenja u ciklusu: porasti na određenu vrijednost - smanjenje, prijelaz kroz nulu, nakon postizanja iste vrijednosti s suprotnim predznakom - rast, itd. Maksimalna histerezna petlja- postizanje maksimalne magnetizacije zasićenja. Preostala indukcija B mirovanje- indukcija magnetskog polja na obrnutom toku histerezne petlje pri nultoj jakosti magnetskog polja. Koercitivna sila N s- jakost polja na obrnutom toku histerezne petlje pri kojoj se postiže nulta indukcija. Magnetski momenti atoma Magnetski moment Elementarne čestice imaju intrinzično kvantno mehaničko svojstvo poznato kao spin. To je slično kutnom momentu gibanja objekta koji rotira oko vlastitog središta mase, iako su, strogo govoreći, te čestice točkaste čestice i ne može se govoriti o njihovoj rotaciji. Spin se mjeri u jedinicama smanjene Planckove konstante (), tada elektroni, protoni i neutroni imaju spin jednak ½. U atomu se elektroni vrte oko jezgre i osim spina imaju i orbitalni kutni moment, dok sama jezgra ima kutni moment zbog nuklearnog spina. Magnetsko polje stvoreno magnetskim momentom atoma određeno je ovim različitim oblicima kutnog momenta, baš kao što u klasičnoj fizici 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 stanje, a drugo - s suprotnom projekcijom spina - stanje sa spinom prema dolje. Tako se magnetski momenti elektrona poništavaju, smanjujući ukupni magnetski dipolni moment sustava na nulu u nekim atomima s parnim brojem elektrona. U feromagnetskim elementima kao što je željezo, neparan broj elektrona rezultira nesparenim elektronom i ukupnim magnetskim momentom koji nije nula. Orbitale susjednih atoma se preklapaju i najniže energetsko stanje se postiže kada svi spinovi nesparenih elektrona poprime istu orijentaciju, proces poznat kao interakcija razmjene. Kada se magnetski momenti feromagnetskih atoma poravnaju, materijal može stvoriti mjerljivo makroskopsko magnetsko polje. Paramagnetski materijali se sastoje od atoma čiji su magnetski momenti pogrešno orijentirani u odsutnosti magnetskog polja, ali se magnetski momenti pojedinačnih atoma poravnavaju kada se primijeni magnetsko polje. Jezgra atoma također može imati ukupni spin različit od nule. Obično, u termodinamičkoj ravnoteži, spinovi jezgri su nasumično orijentirani. Međutim, za neke elemente (kao što je ksenon-129) moguće je polarizirati značajan dio nuklearnih spinova kako bi se stvorilo stanje ko-usmjerenih spinova – stanje koje se naziva hiperpolarizacija. Ovo stanje je od velike praktične važnosti u magnetskoj rezonanciji. Magnetno polje ima energiju. Kao što nabijeni kondenzator ima opskrbu električnom energijom, zavojnica čija struja teče kroz zavojnice ima dovod magnetske energije. Ako uključite električnu svjetiljku paralelno sa zavojnicom s velikim induktivitetom u električnom istosmjernom krugu, tada kada se ključ otvori, opaža se kratki bljesak svjetiljke. Struja u krugu nastaje pod djelovanjem EMF-a samoindukcije. Izvor energije koja se u ovom slučaju oslobađa u električnom krugu je magnetsko polje zavojnice. Energija W m magnetskog polja zavojnice s induktivitetom L, koju stvara struja I, jednaka je W m = LI 2 / 2

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

Kratka teorija

solenoid naziva se cilindrični svitak koji sadrži veliki broj zavoja žice kroz koje teče struja. Ako je korak zavojnice vodiča koji tvori zavojnicu mali, tada se svaki strujni zavoj može smatrati zasebnom kružnom strujom, a solenoid sustavom serijski spojenih kružnih struja istog polumjera, koji imaju zajednički os.

Magnetsko polje unutar solenoida može se smatrati zbrojem magnetskih polja stvorenih svakim okretom. Vektor indukcije magnetskog polja unutar solenoida okomit je na ravninu zavoja, t.j. je usmjerena duž osi solenoida i tvori desnoruki sustav sa smjerom prstenastih struja zavoja. Približna slika linija sile magnetskog polja solenoida prikazana je na sl. 1. Linije magnetskog polja su zatvorene.

Slika 2 prikazuje presjek solenoida duljine L i s brojem zavoja N i polumjerom presjeka R. Krugovi s točkama označavaju presjeke zavoja zavojnice kroz koje teče struja I usmjerio sam s crteža do nas , a kružići s križićima označavaju dijelove zavoja u kojima je struja usmjerena izvan crteža. Broj zavoja po jedinici duljine solenoida označava se sa .

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

, (1)

gdje i su kutovi formirani s osi solenoida radijus vektorima i povučeni od točke A do krajnjih zavoja solenoida, magnetska permeabilnost medija, magnetska konstanta.

Dakle, magnetska indukcija B izravno je proporcionalna jakosti struje, magnetskoj propusnosti medija koji ispunjava solenoid i broju zavoja po jedinici duljine. Magnetska indukcija također ovisi o položaju točke A u odnosu na krajeve solenoida. Razmotrimo nekoliko posebnih slučajeva:

1. Neka je točka A u središtu solenoida, tada , i . Ako je solenoid dovoljno dugačak, onda i 2)

2. Neka je točka A u središtu ekstremnog zavoja, tada , i . Ako je solenoid dovoljno dug, tada , i (3)

Iz formula (2) i (3) može se vidjeti da je magnetska indukcija solenoida na njegovom rubu upola manja od njegove vrijednosti u središtu.

3. Ako je duljina solenoida višestruko veća od polumjera njegovih zavoja
("beskonačno" dugačak solenoid), zatim za sve točke koje leže unutra
solenoid na svojoj osi, možete staviti . Zatim
polje se može smatrati jednoličnim u središnjem dijelu solenoida i može se izračunati pomoću formule

Ujednačenost magnetskog polja je narušena blizu rubova solenoida. U ovom slučaju, indukcija se može odrediti formulom

gdje je k koeficijent koji uzima u obzir nehomogenost polja.

Eksperimentalno proučavanje magnetskog polja solenoida u ovom radu provodi se pomoću posebne sonde - male zavojnice postavljene unutar šipke s ravnalom skale. Os zavojnice poklapa se s osi solenoida, zavojnica je spojena na milivoltmetar izmjenične struje, čiji je ulazni otpor mnogo veći od otpora zavojnice sonde. Ako kroz solenoid teče izmjenična struja standardne frekvencije (= 50 Hz), tada se unutar solenoida i na njegovim rubovima indukcija izmjeničnog magnetskog polja mijenja prema zakonu (vidi (5)):

Amplituda magnetske indukcije u ovoj formuli ovisi o položaju točke unutar solenoida. Ako se zavojnica sonde stavi u solenoid, tada, u skladu sa zakonom elektromagnetske indukcije, u njemu nastaje indukcijski EMF:

, (6)

gdje je N 1 broj zavoja u zavojnici, S je površina poprečnog presjeka zavojnice, F je magnetski tok (jer se os zavojnice poklapa s osi solenoida i stoga je vektor magnetske indukcije okomit na ravninu presjeka svitka.).

Budući da se veličina indukcije B mijenja prema zakonu , , tada se iz (6) dobiva formula za izračun EMF-a:

Iz izraza (7) se vidi da amplituda EMF ovisi o . Dakle, mjerenjem amplitude EMF-a možemo odrediti:

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

(9)

gdje je amplituda izmjenične struje koja teče kroz solenoid.

Iz formula (7) i (9) slijedi da je amplituda indukcijske emf izravno proporcionalna amplitudi izmjenične struje:

Ampermetar i milivoltmetar uključeni u krug izmjenične struje mjere efektivne vrijednosti struje i EMF-a, koje su povezane s amplitudama i odnosima:

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

(11)

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

(12)

gdje je A koeficijent proporcionalnosti.

U ovom radu potrebno je izvršiti dva zadatka: 1) odrediti raspodjelu indukcije duž osi solenoida pri određenoj vrijednosti konstantne struje; 2) odrediti vrijednost koeficijenta k.

Sigurnosne mjere:

1. Nemojte spajati/nezavisno napajanje i milivoltmetar na mrežu od 220 V.

2. Ne prekidajte strujne krugove.

Ne dirajte ogoljene dijelove strujnih krugova.

3. Ne ostavljajte uključen krug bez nadzora.

Radni nalog

Zadatak broj 1. Istraživanje raspodjele indukcije magnetskog polja duž osi solenoida.

1. Sastavite mjerni krug prema shemi prikazanoj na sl. 3. Da biste to učinili, spojite izvor napajanja i ampermetar na solenoidni krug, a milivoltmetar na vodove zavojnice sonde (za mjerenje) U ovoj instalaciji, zavojnica sonde ima sljedeće parametre: = 200 zavoja, S = 2 * 10 -4 m 2, frekvencija AC = 50 Hz, Broj okreta po jedinici duljine solenoida n = 2400 1/m

1- laboratorijski stalak Z - štap"

2- zavojnica-sonda

3- solenoid
5- ampermetar

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

2. Postavite šipku s ljestvicom tako da zavojnica sonde bude približno u sredini solenoida.

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

4. Pomicanje šipke linearnom skalom, mjerite pomoću
milivoltmetarska efektivna vrijednost indukcijske EMF kroz svaku
centimetarski položaj ravnala. Po formuli (8) izračunaj .
Zabilježite rezultate mjerenja i proračuna u tablicu 1 (napomenite to).

Magnetsko polje solenoida je superpozicija pojedinačnih polja, koja se stvaraju svakim okretanjem posebno. Kroz sve zavoje teče ista struja. Osi svih zavoja leže na istoj liniji. Solenoid je induktor cilindričnog oblika. Ova zavojnica je namotana vodljivom žicom. U ovom slučaju, zavoji su složeni čvrsto jedni na druge i imaju jedan smjer. Pretpostavlja se da duljina svitka znatno premašuje promjer zavoja.

Pogledajmo magnetsku indukciju koju stvara svaki okret. Vidi se da je indukcija unutar svake zavojnice usmjerena u istom smjeru. Ako pogledate središte zavojnice, tada će se indukcija s njegovih rubova zbrajati. U tom je slučaju indukcija magnetskog polja između dva susjedna zavoja usmjerena suprotno. Budući da 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 polje. Linije ovog polja prolazit će unutar solenoida i prekrivati ​​ga izvana.

Ako na bilo koji način ispitate magnetsko polje unutar solenoida, na primjer, pomoću željeznih strugotina, tada možete zaključiti da je ono homogeno. Linije magnetskog polja u ovoj regiji su paralelne ravne linije. Ne samo da su paralelne sa sobom, već su paralelne i s osi solenoida. Idući dalje od solenoida, oni su savijeni i zatvoreni izvan zavojnice.

Slika 2 - Polje koje stvara solenoid

Iz slike se može vidjeti da je polje koje stvara solenoid slično polju koje stvara trajni šipkast magnet. Na jednom kraju, linije sile izlaze iz solenoida i ovaj kraj je analogan sjevernom polu trajnog magneta. I ulaze u drugi, a ovaj kraj odgovara južnom polu. Razlika je u tome što je polje također prisutno unutar solenoida. A ako provedete eksperiment sa željeznim piljevinama, oni će biti uvučeni u prostor između zavoja.

Ali ako se unutar solenoida umetne drvena jezgra ili jezgra od bilo kojeg drugog nemagnetskog materijala, tada će tijekom pokusa sa željeznim strugotinama slika polja trajnog magneta i solenoida biti identična. Budući da drvena jezgra neće izobličiti linije sile, ali u isto vrijeme 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 magnetske igle. Privlačit će ga suprotni pol magneta. Ako je poznat smjer struje u svitku, polovi se mogu odrediti pomoću pravila desnog vijka. Ako zakrenete glavu desnog vijka u smjeru struje, tada će translacijsko kretanje ukazati na smjer polja u solenoidu. A znajući da je polje usmjereno od sjevernog pola prema jugu, možete odrediti gdje se koji pol nalazi.

Solenoid je duga, tanka zavojnica, odnosno zavojnica čija je duljina mnogo veća od promjera (također u sljedećim proračunima ovdje se pretpostavlja da je debljina namota mnogo manja od promjera zavojnice). U tim uvjetima i bez upotrebe magnetskog materijala, gustoća magnetskog toka unutar zavojnice je praktički konstantna i (približno) jednaka

gdje je magnetska konstanta, broj zavoja, struja i duljina zavojnice. Zanemarujući rubne efekte na krajevima solenoida, nalazimo da je veza toka kroz zavojnicu jednaka gustoći toka pomnoženoj s površinom poprečnog presjeka i brojem zavoja:

Odavde slijedi formula za induktivnost solenoida (bez jezgre):

Ako je zavojnica iznutra potpuno ispunjena magnetskim materijalom (jezgrom), tada se induktivnost razlikuje za faktor - relativnu magnetsku permeabilnost jezgre:

U slučaju kada , moguće je (treba) pod S razumjeti površinu poprečnog presjeka jezgre i koristiti ovu formulu čak i kod debelih namota, osim ako ukupna površina poprečnog presjeka zavojnice ne prelazi površinu poprečnog presjeka ​​jezgru višestruko.

Točnije formule za solenoid konačne veličine

Za jednoslojni (vrlo tanko namotan) solenoid konačnih dimenzija (ne beskonačno dug) postoje točnije, iako složenije formule:

broj okreta,

radijus cilindra,

Duljina njegove generatrike,

Eliptički integrali.

Transformator. Energija magnetskog polja. Osnove Maxwellove teorije. Maxwellove jednadžbe u integralnom obliku.

Električni oscilatorni krug. Prigušene elektromagnetske oscilacije. Prisilne elektromagnetske oscilacije. Fenomen rezonancije

Oscilatorni krug- oscilator, koji je električni krug koji sadrži spojeni induktor i kondenzator. U takvom krugu mogu se pobuđivati ​​strujne (i naponske) oscilacije.

Oscilatorni krug je najjednostavniji sustav u kojem se mogu pojaviti slobodne elektromagnetske oscilacije.

Rezonantna frekvencija kruga određena je takozvanom Thomsonovom formulom:

Princip rada

Neka kondenzator s kapacitetom C napunjen na napon. Energija pohranjena u kondenzatoru je

Kada je kondenzator spojen na induktor, struja će teći u krugu, što će uzrokovati elektromotornu silu (EMF) samoindukcije u zavojnici, usmjerenu na smanjenje struje u krugu. Struja uzrokovana ovim EMF-om (u nedostatku gubitaka u induktivitetu) u početnom će trenutku biti jednaka struji pražnjenja kondenzatora, odnosno, rezultirajuća 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 prijeći u zavojnicu dok se kondenzator potpuno ne isprazni. U ovom trenutku, električna energija kondenzatora. Magnetska energija koncentrirana u zavojnici je, naprotiv, maksimalna i jednaka

Gdje je induktivnost zavojnice, to je maksimalna vrijednost struje.

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

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

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

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

Prisilne elektromagnetske oscilacije nazivaju se periodičnim promjenama jakosti struje i napona u električnom krugu, koje nastaju pod djelovanjem promjenjivog EMF-a iz vanjskog izvora. Vanjski izvor EMF-a u električnim krugovima su alternatori koji rade u elektranama.

Načelo rada alternatora lako je pokazati kada se razmatra rotirajući okvir žice u magnetskom polju.

U jednolično magnetsko polje s indukcijom B postavljamo pravokutni okvir koji čine vodiči (absd).

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

Magnetski tok u trenutku t 0 = 0 bit će jednak F = V * 8.

Uz jednoliku rotaciju okvira oko osi OO 1 s kutnom brzinom w, magnetski tok koji prodire kroz okvir mijenjat će se tijekom vremena prema zakonu:

Promjena magnetskog toka pobuđuje u okviru EMF-a indukciju jednaku

gdje je E 0 \u003d VSw amplituda EMF.

Ako uz pomoć kliznih prstenova i četkica koje klize po njima, spojimo krajeve okvira s električnim krugom, tada će pod djelovanjem indukcijske EMF, koja se s vremenom mijenja prema harmonijskom zakonu, prisilne harmonijske strujne oscilacije nastaju u električnom krugu - naizmjenična struja.

U praksi se sinusoidni EMF pobuđuje ne rotacijom okvira u magnetskom polju, već rotacijom magneta ili elektromagneta (rotora) unutar statora - fiksnih namota namotanih na jezgre od mekog magnetskog materijala. U tim namotima postoji promjenjivi EMF, što omogućuje izbjegavanje oslobađanja naprezanja pomoću kliznih prstenova.

Fenomen rezonancije odnosi se na najvažnija svojstva električnih krugova s ​​praktične točke gledišta. Leži u činjenici da električni krug koji ima reaktivne elemente ima čisto otporni otpor.

Opće stanje rezonancije za bilo koju mrežu s dva terminala možemo formulirati kao Im[ Z]=0 ili sam[ Y]=0, gdje Z i Y složeni otpor i vodljivost mreže s dva terminala. Posljedično, rezonancijski način u potpunosti je određen parametrima električnog kruga i ne ovisi o vanjskom utjecaju na njega iz izvora električne energije.

solenoid naziva se vodič uvijen u spiralu, kroz koji prolazi električna struja (slika 1, a).

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

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

Slika 2. Model solenoidnog računala

Na osi beskonačno dugog solenoida, na svakoj jedinici duljine koja je namotana n 0 zavoja, jakost magnetskog polja unutar solenoida je dana kao:

H = ja × n 0 .

Na mjestu gdje magnetske linije ulaze u solenoid, formira se južni pol, gdje izlaze - sjeverni pol.

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

Video o solenoidu:

Elektromagnet

Solenoid s čeličnom (željeznom) jezgrom unutar naziva se elektromagnet(slika 4 i 5). Magnetno polje elektromagneta jače je od magnetskog polja jer se komad čelika ugrađen u solenoid magnetizira, a rezultirajuće magnetsko polje se pojačava. Polovi elektromagneta mogu se odrediti, kao i solenoid, prema "pravilu gimleta".

Slika 5. Zavojnica elektromagneta

Elektromagneti se široko koriste u inženjerstvu. Služe za stvaranje magnetskog polja u električnim generatorima i motorima, u električnim mjernim instrumentima, električnim aparatima i slično.

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

Od velikog broja releja, različitih po svojoj namjeni, principu rada i dizajnu, ukratko ćemo razmotriti uređaj elektromagnetskih releja. Slika 6 prikazuje izvedbe ovih releja. Rad releja temelji se na interakciji magnetskog polja koje stvara fiksna zavojnica, kroz koju prolazi struja, i čelične pokretne armature elektromagneta. Kada se promijene uvjeti rada u glavnom strujnom krugu, svitak releja je pod naponom, magnetski tok jezgre povlači (okreće ili uvlači) armaturu, čime se zatvaraju kontakti kruga koji odvaja pogonske zavojnice kruga ulja i zraka. prekidači ili pomoćni releji.

Slika 6. Elektromagnetski relej

Releji su također našli primjenu u automatizaciji i telemehanici.

Magnetski tok solenoida (elektromagneta) raste s povećanjem broja zavoja i struje u njemu. Sila magnetiziranja ovisi o umnošku struje i broju zavoja (broj amperskih zavoja).

Ako, na primjer, uzmemo solenoid, čiji namot prolazi struju od 5 A i čiji je broj zavoja 150, tada će broj amperskih zavoja biti 5 × 150 = 750. Isti magnetski tok bit će dobijemo ako uzmemo 1500 zavoja i kroz njih provučemo struju od 0,5 A, budući da je 0,5 × 1500 = 750 ampera.

Magnetski tok solenoida možete povećati na sljedeće načine: 1) stavite čeličnu jezgru u solenoid, pretvarajući ga u elektromagnet; 2) povećati presjek čelične jezgre elektromagneta (budući da s danom strujom, jakošću magnetskog polja, a time i magnetskom indukcijom, povećanje poprečnog presjeka dovodi do povećanja magnetskog toka); 3) smanjiti zračni raspor jezgre elektromagneta (jer sa smanjenjem puta magnetskih linija kroz zrak, magnetski otpor se smanjuje).

Video o elektromagnetu: