Solenoid - peranti, kerja, aplikasi. Pilihan kawalan solenoid yang paling optimum

solenoid dipanggil gegelung berbentuk silinder yang diperbuat daripada wayar, lilitannya dililit rapat dalam satu arah, dan panjang gegelung adalah lebih besar daripada jejari lilitan.

Medan magnet solenoid boleh diwakili sebagai hasil penambahan medan yang dicipta oleh beberapa arus bulat yang mempunyai paksi sepunya. Rajah 3 menunjukkan bahawa di dalam solenoid garis aruhan magnet setiap pusingan individu mempunyai arah yang sama, manakala antara pusingan bersebelahan mereka mempunyai arah yang bertentangan.

Oleh itu, dengan penggulungan solenoid yang cukup padat, bahagian yang berlawanan arah garis aruhan magnet bagi pusingan bersebelahan membatalkan satu sama lain, dan bahagian yang sama diarahkan bergabung menjadi garis biasa aruhan magnet yang melalui dalam solenoid dan menutupnya dari luar. Kajian bidang ini menggunakan habuk papan menunjukkan bahawa medan adalah seragam di dalam solenoid, garis magnet adalah garis lurus selari dengan paksi solenoid, yang mencapah di hujungnya dan menutup di luar solenoid (Rajah 4).

Adalah mudah untuk melihat persamaan antara medan magnet solenoid (di luarnya) dan medan magnet magnet bar kekal (Rajah 5). Hujung solenoid dari mana garis magnet keluar adalah serupa dengan kutub utara magnet N, hujung satu lagi solenoid, di mana garis magnet masuk, adalah serupa dengan kutub selatan magnet S.

Kutub solenoid dengan arus mudah ditentukan secara eksperimen menggunakan jarum magnet. Mengetahui arah arus dalam gegelung, tiang ini boleh ditentukan menggunakan peraturan skru kanan: kita memutar kepala skru kanan mengikut arus dalam gegelung, maka pergerakan translasi hujung skru akan menunjukkan arah medan magnet solenoid, dan oleh itu kutub utaranya. Modulus aruhan magnet di dalam solenoid satu lapisan dikira dengan formula

B = μμ 0 NI l = μμ 0 nl,

di mana Ν ialah bilangan lilitan dalam solenoid, saya ialah panjang solenoid, n ialah bilangan lilitan per unit panjang solenoid.

Kemagnetan magnet. Vektor kemagnetan.

Jika arus mengalir melalui konduktor, maka medan magnet tercipta di sekeliling konduktor. Kami setakat ini telah mempertimbangkan wayar yang melaluinya arus mengalir dalam vakum. Jika wayar yang membawa arus berada dalam persekitaran tertentu, maka m.p. perubahan. Ini dijelaskan oleh fakta bahawa di bawah tindakan m.p. sebarang bahan mampu memperoleh momen magnetik, atau dimagnetkan (sesuatu bahan menjadi magnetik). Bahan yang dimagnetkan dalam m.p luaran. melawan arah medan dipanggil diamagnet. Bahan yang lemah bermagnet dalam m.p luar. ke arah padang dipanggil paramagnet Bahan bermagnet mencipta m.p. - , ini m.p. ditindih pada mp, disebabkan oleh arus - . Kemudian medan yang terhasil: . (54.1) Medan sebenar (mikroskopik) dalam magnet sangat berbeza dalam had jarak antara molekul. ialah medan makroskopik purata. Untuk penjelasan kemagnetan badan Ampere mencadangkan bahawa arus mikroskopik bulat beredar dalam molekul sesuatu bahan, disebabkan oleh pergerakan elektron dalam atom dan molekul. Setiap arus tersebut mempunyai momen magnet dan mencipta medan magnet di ruang sekeliling. Sekiranya tiada medan luaran, maka arus molekul berorientasikan secara rawak, dan medan yang terhasil disebabkan olehnya ialah 0. Pengmagnetan ialah kuantiti vektor yang sama dengan momen magnet per unit isipadu magnet: , (54.3) di mana isipadu sangat kecil dari segi fizikal diambil di sekitar titik yang sedang dipertimbangkan; ialah momen magnet bagi molekul individu. Penjumlahan dilakukan ke atas semua molekul yang terkandung dalam isipadu (ingat di mana, - polarisasi dielektrik, - unsur dipol ). Kemagnetan boleh diwakili seperti berikut: Arus magnet I". Pemmagnetan bahan dikaitkan dengan orientasi utama momen magnet molekul individu dalam satu arah. Arus bulat asas yang dikaitkan dengan setiap molekul dipanggil molekul. Arus molekul berubah menjadi berorientasikan, i.e. berlaku arus magnet. Arus yang mengalir melalui wayar, disebabkan oleh pergerakan pembawa arus dalam bahan, dipanggil arus pengaliran -. Untuk elektron yang bergerak dalam orbit bulat mengikut arah jam; arus diarahkan lawan jam dan, mengikut peraturan skru kanan, diarahkan secara menegak ke atas. Peredaran vektor kemagnetan sepanjang litar tertutup arbitrari adalah sama dengan jumlah algebra bagi arus magnetisasi yang diliputi oleh litar G. Bentuk pembezaan teorem edaran vektor. Kekuatan medan magnet (penamaan standard H) ialah kuantiti fizik vektor yang sama dengan perbezaan vektor aruhan magnet B dan vektor kemagnetan M. Dalam SI: di mana - pemalar magnet. Dalam kes paling mudah bagi medium isotropik (dari segi sifat magnetik) dan dalam penghampiran frekuensi perubahan medan yang cukup rendah B dan H hanya berkadar antara satu sama lain, hanya berbeza dengan faktor berangka (bergantung kepada persekitaran) B = μ H dalam sistem GHS atau B = μ 0 μ H dalam sistem SI(cm. Kebolehtelapan magnet, lihat juga Kerentanan magnetik). Dalam sistem GHS kekuatan medan magnet diukur dalam oersteds(E), dalam sistem SI - dalam ampere per meter(A/m). Dalam teknologi, oersted secara beransur-ansur digantikan oleh unit SI - ampere per meter. 1 Oe \u003d 1000 / (4π) A / m ≈ 79.5775 A / m. 1 A/m = 4π/1000 Oe ≈ 0.01256637 Oe. makna fizikal Dalam vakum (atau dalam ketiadaan medium yang mampu polarisasi magnetik, serta dalam kes-kes di mana yang terakhir boleh diabaikan), kekuatan medan magnet bertepatan dengan vektor aruhan magnet sehingga faktor yang sama dengan 1 dalam CGS dan μ 0 dalam SI. AT magnet(media magnet) kekuatan medan magnet mempunyai makna fizikal medan "luar", iaitu, ia bertepatan (mungkin, bergantung pada unit pengukuran, sehingga pekali malar, seperti dalam sistem SI, yang tidak menukar makna umum) dengan aruhan magnet vektor sedemikian, yang "akan berlaku jika tiada magnet." Sebagai contoh, jika medan dicipta oleh gegelung pembawa arus di mana teras besi dimasukkan, maka kekuatan medan magnet H di dalam teras bertepatan (dalam GHS tepat, dan dalam SI - sehingga pekali dimensi malar) dengan vektor B 0 , yang akan dicipta oleh gegelung ini tanpa ketiadaan teras dan yang, pada dasarnya, boleh dikira berdasarkan geometri gegelung dan arus di dalamnya, tanpa sebarang maklumat tambahan tentang bahan teras dan magnetnya. hartanah. Pada masa yang sama, perlu diingat bahawa ciri yang lebih asas bagi medan magnet ialah vektor aruhan magnet. B . Dialah yang menentukan kekuatan medan magnet pada zarah dan arus bercas yang bergerak, dan juga boleh diukur secara langsung, manakala kekuatan medan magnet H boleh dianggap sebagai kuantiti tambahan (walaupun lebih mudah untuk mengiranya, sekurang-kurangnya dalam kes statik, iaitu nilainya: selepas semua, H mencipta apa yang dipanggil arus bebas, yang agak mudah untuk diukur secara langsung, tetapi sukar untuk diukur arus berganding- iaitu, arus molekul, dsb. - tidak perlu diambil kira). Benar, dalam ungkapan yang biasa digunakan untuk tenaga medan magnet (dalam medium) B dan H masuk hampir sama, tetapi perlu diingat bahawa tenaga ini termasuk tenaga yang dibelanjakan pada polarisasi medium, dan bukan sahaja tenaga medan itu sendiri. Tenaga medan magnet seperti itu dinyatakan hanya melalui asas B . Walau bagaimanapun, adalah jelas bahawa nilai H secara fenomenologi dan di sini ia sangat mudah. Jenis magnet Diamagnet mempunyai kebolehtelapan magnet kurang sedikit daripada 1. Ia berbeza kerana ia ditolak keluar dari medan magnet. Paramagnet mempunyai kebolehtelapan magnet lebih sedikit daripada 1. Sebahagian besar bahan adalah dia- dan para-magnet. ferromagnet mempunyai kebolehtelapan magnet yang sangat tinggi, mencecah sehingga satu juta. Apabila medan meningkat, fenomena histerisis muncul, apabila, dengan peningkatan dalam keamatan dan dengan penurunan keamatan berikutnya, nilai B (H) tidak bertepatan antara satu sama lain. Terdapat beberapa definisi kebolehtelapan magnet dalam kesusasteraan. Kebolehtelapan magnet awal m n- nilai kebolehtelapan magnet pada kekuatan medan yang rendah. Kebolehtelapan magnet maksimum m maks- nilai maksimum kebolehtelapan magnet, yang biasanya dicapai dalam medan magnet sederhana. Daripada istilah asas lain yang mencirikan bahan magnet, kami perhatikan perkara berikut. Kemagnetan ketepuan- kemagnetan maksimum, yang dicapai dalam medan kuat, apabila semua momen magnet domain berorientasikan sepanjang medan magnet. Gelung histerisis- pergantungan induksi pada kekuatan medan magnet apabila medan berubah dalam kitaran: naik ke nilai tertentu - penurunan, peralihan melalui sifar, selepas mencapai nilai yang sama dengan tanda bertentangan - pertumbuhan, dsb. Gelung histerisis maksimum- mencapai kemagnetan tepu maksimum. Rehat induksi B sisa- aruhan medan magnet pada laluan terbalik gelung histerisis pada kekuatan medan magnet sifar. Daya paksaan N s- kekuatan medan pada laluan terbalik gelung histerisis di mana aruhan sifar dicapai. Momen magnet atom Momen Magnetik Zarah asas mempunyai sifat mekanikal kuantum intrinsik yang dikenali sebagai putaran. Ia serupa dengan momentum sudut objek yang berputar mengelilingi pusat jisimnya sendiri, walaupun secara tegasnya, zarah-zarah ini adalah zarah titik dan seseorang tidak boleh bercakap tentang putarannya. Putaran diukur dalam unit pemalar Planck terkurang (), kemudian elektron, proton dan neutron mempunyai putaran sama dengan ½. Dalam atom, elektron berputar mengelilingi nukleus dan mempunyai momentum sudut orbit sebagai tambahan kepada putaran, manakala nukleus itu sendiri mempunyai momentum sudut disebabkan oleh putaran nuklear. Medan magnet yang dicipta oleh momen magnetik atom ditentukan oleh pelbagai bentuk momentum sudut ini, sama seperti dalam fizik klasik, objek bercas yang berputar mencipta medan magnet. Walau bagaimanapun, sumbangan yang paling ketara datang daripada putaran. Oleh kerana sifat elektron, seperti semua fermion, untuk mematuhi peraturan pengecualian Pauli, yang mana dua elektron tidak boleh berada dalam keadaan kuantum yang sama, elektron terikat berpasangan antara satu sama lain, dan salah satu elektron berada dalam putaran- keadaan atas, dan satu lagi - dengan unjuran putaran bertentangan - keadaan dengan putaran ke bawah. Dengan cara ini, momen magnet elektron dibatalkan, mengurangkan jumlah momen dipol magnet sistem kepada sifar dalam beberapa atom dengan bilangan elektron genap. Dalam unsur feromagnetik seperti besi, bilangan elektron ganjil menghasilkan elektron tidak berpasangan dan jumlah momen magnet bukan sifar. Orbital atom jiran bertindih dan keadaan tenaga terendah dicapai apabila semua putaran elektron tidak berpasangan menganggap orientasi yang sama, satu proses yang dikenali sebagai interaksi pertukaran. Apabila momen magnet atom feromagnetik sejajar, bahan boleh mencipta medan magnet makroskopik yang boleh diukur. Bahan paramagnet terdiri daripada atom-atom yang momen magnetnya salah orientasi jika tiada medan magnet, tetapi momen magnet atom individu sejajar apabila medan magnet digunakan. Nukleus atom juga boleh mempunyai jumlah putaran bukan sifar. Biasanya, pada keseimbangan termodinamik, putaran nukleus berorientasikan secara rawak. Walau bagaimanapun, bagi sesetengah elemen (seperti xenon-129) adalah mungkin untuk mempolarisasi sebahagian besar putaran nuklear untuk mewujudkan keadaan putaran terarah bersama—keadaan yang dipanggil hiperpolarisasi. Keadaan ini mempunyai kepentingan praktikal yang besar dalam pengimejan resonans magnetik. Medan magnet mempunyai tenaga. Sama seperti kapasitor bercas mempunyai bekalan tenaga elektrik, gegelung dengan arus yang mengalir melalui gegelungnya mempunyai bekalan tenaga magnet. Jika anda menghidupkan lampu elektrik selari dengan gegelung dengan induktansi besar dalam litar elektrik DC, maka apabila kunci dibuka, kilat pendek lampu diperhatikan. Arus dalam litar timbul di bawah tindakan EMF aruhan diri. Sumber tenaga yang dikeluarkan dalam kes ini dalam litar elektrik ialah medan magnet gegelung. Tenaga W m medan magnet gegelung dengan kearuhan L, yang dicipta oleh arus I, adalah sama dengan W m = LI 2 / 2

Instrumen dan aksesori: persediaan makmal dengan solenoid, bekalan kuasa, milivoltmeter, ammeter.

Teori ringkas

solenoid dipanggil gegelung silinder yang mengandungi sebilangan besar lilitan wayar di mana arus mengalir. Jika pic heliks konduktor yang membentuk gegelung adalah kecil, maka setiap pusingan pembawa arus boleh dianggap sebagai arus bulat yang berasingan, dan solenoid sebagai sistem arus bulat bersambung siri dengan jejari yang sama, mempunyai satu sama. paksi.

Medan magnet di dalam solenoid boleh dianggap sebagai jumlah medan magnet yang dicipta oleh setiap pusingan. Vektor aruhan medan magnet di dalam solenoid adalah berserenjang dengan satah lilitan, i.e. diarahkan sepanjang paksi solenoid dan membentuk sistem tangan kanan dengan arah arus gelang lilitan. Gambar anggaran garis daya medan magnet solenoid ditunjukkan dalam rajah. 1. Garisan medan magnet ditutup.

Rajah 2 menunjukkan keratan solenoid dengan panjang L dan dengan beberapa lilitan N dan jejari keratan rentas R. Bulatan dengan titik menunjukkan bahagian gegelung berpusing di mana arus mengalir yang saya halakan dari lukisan kepada kami. , dan bulatan dengan salib menunjukkan bahagian lilitan di mana arus diarahkan melepasi lukisan. Bilangan lilitan per unit panjang solenoid dilambangkan dengan .

Aruhan medan magnet pada titik A, terletak pada paksi solenoid, ditentukan dengan menyepadukan medan magnet yang dicipta oleh setiap pusingan, dan sama dengan

, (1)

di mana dan adakah sudut-sudut yang dibentuk dengan paksi solenoid oleh vektor jejari dan dilukis dari titik A ke lilitan melampau solenoid, ialah kebolehtelapan magnet medium, pemalar magnet.

Oleh itu, aruhan magnetik B adalah berkadar terus dengan kekuatan semasa, kebolehtelapan magnet medium yang mengisi solenoid, dan bilangan lilitan per unit panjang. Aruhan magnet juga bergantung pada kedudukan titik A berbanding dengan hujung solenoid. Mari kita pertimbangkan beberapa kes khas:

1. Biarkan titik A berada di tengah solenoid, kemudian , dan . Jika solenoid cukup panjang, maka dan 2)

2. Biarkan titik A berada di tengah pusingan melampau, kemudian , dan . Jika solenoid itu cukup panjang, maka , dan (3)

Ia boleh dilihat daripada formula (2) dan (3) bahawa aruhan magnet solenoid di tepinya adalah separuh daripada nilainya di tengah.

3. Jika panjang solenoid berkali ganda lebih besar daripada jejari lilitannya
(solenoid panjang "tak terhingga", kemudian untuk semua mata yang terletak di dalam
solenoid pada paksinya, anda boleh meletakkan . Kemudian
medan boleh dianggap seragam di bahagian tengah solenoid dan boleh dikira menggunakan formula

Keseragaman medan magnet dipecahkan berhampiran tepi solenoid. Dalam kes ini, induksi boleh ditentukan oleh formula

di mana k ialah pekali yang mengambil kira ketidakhomogenan medan.

Kajian eksperimen medan magnet solenoid dalam kerja ini dijalankan menggunakan probe khas - gegelung kecil yang dipasang di dalam rod dengan pembaris skala. Paksi gegelung bertepatan dengan paksi solenoid, gegelung disambungkan kepada milivoltmeter arus ulang-alik, rintangan input yang jauh lebih besar daripada rintangan gegelung siasatan. Jika arus ulang alik mengalir melalui solenoid frekuensi standard ( = 50 Hz), kemudian di dalam solenoid dan di tepinya, induksi medan magnet berselang-seli berubah mengikut undang-undang (lihat (5)):

Amplitud aruhan magnet dalam formula ini bergantung pada kedudukan titik di dalam solenoid. Jika gegelung probe diletakkan dalam solenoid, maka, mengikut undang-undang aruhan elektromagnet, EMF aruhan timbul di dalamnya:

, (6)

di mana N 1 ialah bilangan lilitan dalam gegelung, S ialah luas keratan rentas gegelung, Ф ialah fluks magnet (kerana paksi gegelung bertepatan dengan paksi solenoid dan, oleh itu, magnet vektor aruhan adalah berserenjang dengan satah keratan rentas gegelung.).

Oleh kerana magnitud aruhan B berubah mengikut undang-undang , , maka daripada (6) formula untuk mengira EMF diperolehi:

Ia boleh dilihat daripada ungkapan (7) bahawa amplitud EMF bergantung kepada . Oleh itu, dengan mengukur amplitud EMF, kita boleh menentukan:

Pekali k, yang mengambil kira ketidakhomogenan medan magnet solenoid di tepi, boleh ditentukan oleh formula. (5), mengetahui dan:

(9)

di manakah amplitud arus ulang alik yang mengalir melalui solenoid.

Daripada formula (7) dan (9) ia mengikuti bahawa amplitud emf aruhan adalah berkadar terus dengan amplitud arus ulang alik:

Ammeter dan milivoltmeter yang disertakan dalam litar arus ulang alik mengukur nilai berkesan arus dan EMF, yang dikaitkan dengan amplitud dan hubungan:

Untuk nilai berkesan arus dan EMF, formula (10) mempunyai bentuk

(11)

Daripada formula (11) ia mengikuti bahawa nisbah adalah berkadar dengan pekali K ketidakhomogenan aruhan medan magnet pada titik solenoid di mana pengukuran diambil.

(12)

di mana A ialah pekali kekadaran.

Dalam kerja ini, diperlukan untuk melaksanakan dua tugas: 1) menentukan pengagihan aruhan sepanjang paksi solenoid pada nilai arus malar tertentu; 2) tentukan nilai pekali k.

Amaran keselamatan:

1. Jangan sambungkan / bebas bekalan kuasa dan milivoltmeter ke rangkaian 220 V.

2. Jangan tukar litar bertenaga.

Jangan sentuh bahagian kosong litar.

3. Jangan biarkan litar dihidupkan tanpa pengawasan.

Arahan kerja

Tugas nombor 1. Penyiasatan taburan aruhan medan magnet di sepanjang paksi solenoid.

1. Pasang litar pengukur mengikut skema yang ditunjukkan dalam rajah. 3. Untuk melakukan ini, sambungkan sumber kuasa dan ammeter ke litar solenoid, dan milivoltmeter ke gegelung probe lead (untuk mengukur ) Dalam pemasangan ini, gegelung probe mempunyai parameter berikut: = 200 pusingan, S = 2 * 10 -4 m 2, frekuensi AC = 50 Hz, Bilangan lilitan per unit panjang solenoid n = 2400 1/m

1- kaki makmal Z - rod "

2- kuar gegelung

3- solenoid
5- ammeter

6 - bekalan kuasa dengan pengatur voltan keluaran (semasa), 7 - milivoltmeter.

2. Letakkan rod dengan bar skala supaya gegelung probe berada lebih kurang di tengah-tengah solenoid.

3. Hidupkan bekalan kuasa solenoid dan tetapkan arus solenoid (mengikut ammeter) kepada = 25mA. Hidupkan milivoltmeter dan selepas memanaskan badan (5 minit) ambil bacaan.

4. Menggerakkan rod dengan skala linear, mengukur menggunakan
milivoltmeter nilai berkesan EMF aruhan melalui setiap
kedudukan sentimeter pembaris. Dengan formula (8) hitung .
Catatkan keputusan ukuran dan pengiraan dalam Jadual 1 (perhatikan bahawa).

Medan magnet solenoid adalah superposisi medan individu, yang dicipta oleh setiap pusingan secara berasingan. Arus yang sama mengalir melalui semua lilitan. Paksi semua lilitan terletak pada garisan yang sama. Solenoid ialah induktor yang mempunyai bentuk silinder. Gegelung ini dililit dengan wayar konduktif. Dalam kes ini, selekoh disusun rapat antara satu sama lain dan mempunyai satu arah. Diandaikan bahawa panjang gegelung dengan ketara melebihi diameter lilitan.

Mari kita lihat aruhan magnet yang dicipta oleh setiap pusingan. Ia boleh dilihat bahawa aruhan di dalam setiap gegelung diarahkan ke arah yang sama. Jika anda melihat bahagian tengah gegelung, maka aruhan dari tepinya akan bertambah. Dalam kes ini, aruhan medan magnet antara dua lilitan bersebelahan diarahkan secara bertentangan. Oleh kerana ia dicipta oleh arus yang sama, ia diberi pampasan.

Rajah 1 - Medan yang dicipta oleh pusingan individu solenoid

Jika lilitan solenoid digulung dengan cukup ketat, maka di antara semua lilitan medan kaunter akan diberi pampasan, dan di dalam selekoh medan individu akan ditambah ke dalam satu medan biasa. Garisan medan ini akan melalui dalam solenoid, dan menutupnya di luar.

Jika anda memeriksa medan magnet di dalam solenoid dengan apa-apa cara, contohnya, menggunakan pemfailan besi, maka anda boleh membuat kesimpulan bahawa ia adalah homogen. Garis medan magnet di rantau ini adalah garis lurus selari. Mereka bukan sahaja selari dengan diri mereka sendiri, tetapi mereka juga selari dengan paksi solenoid. Melangkaui solenoid, ia dibengkokkan dan ditutup di luar gegelung.

Rajah 2 - Medan yang dicipta oleh solenoid

Ia boleh dilihat dari rajah bahawa medan yang dicipta oleh solenoid adalah serupa dengan medan yang mencipta magnet bar kekal. Pada satu hujung, garisan daya keluar dari solenoid dan hujung ini adalah serupa dengan kutub utara magnet kekal. Dan mereka masuk ke yang lain, dan hujung ini sepadan dengan kutub selatan. Perbezaannya ialah medan juga terdapat di dalam solenoid. Dan jika anda menjalankan eksperimen dengan pemfailan besi, ia akan ditarik ke dalam ruang antara selekoh.

Tetapi jika teras kayu atau teras yang diperbuat daripada bahan bukan magnet lain dimasukkan ke dalam solenoid, maka semasa eksperimen dengan pencukur besi, gambar medan magnet kekal dan solenoid akan sama. Oleh kerana teras kayu tidak akan memesongkan garisan daya, tetapi pada masa yang sama tidak akan membenarkan habuk papan menembusi di dalam gegelung.

Rajah 3 - Gambar medan magnet bar kekal

Beberapa kaedah boleh digunakan untuk menentukan kutub solenoid. Sebagai contoh, yang paling mudah ialah menggunakan jarum magnet. Ia akan tertarik ke kutub bertentangan magnet. Jika arah arus dalam gegelung diketahui, kutub boleh ditentukan menggunakan peraturan skru kanan. Jika anda memutarkan kepala skru kanan ke arah arus, maka pergerakan translasi akan menunjukkan arah medan dalam solenoid. Dan mengetahui bahawa medan itu diarahkan dari kutub utara ke selatan, dan anda boleh menentukan di mana kutub mana terletak.

Solenoid ialah gegelung yang panjang dan nipis, iaitu gegelung yang panjangnya jauh lebih besar daripada diameternya (juga dalam pengiraan berikut diandaikan di sini bahawa ketebalan belitan adalah lebih kurang daripada diameter gegelung). Di bawah keadaan ini dan tanpa menggunakan bahan magnetik, ketumpatan fluks magnet di dalam gegelung adalah hampir malar dan (lebih kurang) sama dengan

di mana ialah pemalar magnet, ialah bilangan lilitan, ialah arus, dan ialah panjang gegelung. Mengabaikan kesan tepi pada hujung solenoid, kami mendapati bahawa hubungan fluks melalui gegelung adalah sama dengan ketumpatan fluks dikalikan dengan luas keratan rentas dan bilangan lilitan:

Dari sini mengikuti formula untuk kearuhan solenoid (tanpa teras):

Sekiranya gegelung di dalamnya diisi sepenuhnya dengan bahan magnetik (teras), maka induktansi berbeza dengan faktor - kebolehtelapan magnet relatif teras:

Dalam kes apabila , adalah mungkin (sepatutnya) di bawah S fahami luas keratan rentas teras dan gunakan formula ini walaupun dengan belitan tebal, melainkan jumlah luas keratan rentas gegelung tidak melebihi luas keratan rentas ​​terasnya berkali-kali.

Formula yang lebih tepat untuk solenoid saiz terhingga

Untuk solenoid satu lapisan (sangat nipis) dengan dimensi terhingga (tidak panjang tak terhingga), terdapat formula yang lebih tepat, walaupun lebih kompleks:

bilangan pusingan,

jejari silinder,

Panjang generatriknya,

Kamiran eliptik.

Transformer. Tenaga medan magnet. Asas teori Maxwell. Persamaan Maxwell dalam bentuk kamiran.

Litar berayun elektrik. Ayunan elektromagnet yang diredam. Ayunan elektromagnet paksa. Fenomena resonans

Litar berayun- pengayun, iaitu litar elektrik yang mengandungi induktor dan kapasitor yang disambungkan. Dalam litar sedemikian, ayunan arus (dan voltan) boleh teruja.

Litar berayun ialah sistem paling mudah di mana ayunan elektromagnet bebas boleh berlaku.

Kekerapan resonan litar ditentukan oleh formula Thomson yang dipanggil:

Prinsip operasi

Biarkan kapasitor dengan kapasiti C dicas kepada voltan. Tenaga yang disimpan dalam kapasitor ialah

Apabila kapasitor disambungkan kepada induktor, arus akan mengalir dalam litar, yang akan menyebabkan daya gerak elektrik (EMF) aruhan diri dalam gegelung, bertujuan untuk mengurangkan arus dalam litar. Arus yang disebabkan oleh EMF ini (jika tiada kerugian dalam induktansi) pada saat awal akan sama dengan arus pelepasan kapasitor, iaitu, arus yang terhasil akan sama dengan sifar. Tenaga magnet gegelung pada momen (awal) ini ialah sifar.

Kemudian arus yang terhasil dalam litar akan meningkat, dan tenaga dari kapasitor akan masuk ke dalam gegelung sehingga kapasitor dilepaskan sepenuhnya. Pada ketika ini, tenaga elektrik kapasitor. Tenaga magnet yang tertumpu dalam gegelung, sebaliknya, adalah maksimum dan sama dengan

Di manakah kearuhan gegelung, ialah nilai maksimum arus.

Selepas itu, pengecasan semula kapasitor akan bermula, iaitu, cas kapasitor dengan voltan kekutuban yang berbeza. Pengecasan semula akan berlaku sehingga tenaga magnet gegelung ditukar kepada tenaga elektrik pemuat. Kapasitor, dalam kes ini, akan dicas semula kepada voltan.

Akibatnya, ayunan timbul dalam litar, yang tempohnya akan berkadar songsang dengan kehilangan tenaga dalam litar.

Secara umum, proses yang diterangkan di atas dalam litar berayun selari dipanggil resonans semasa, yang bermaksud bahawa arus mengalir melalui induktansi dan kapasitansi, lebih daripada arus yang melalui keseluruhan litar, dan arus ini lebih besar dengan bilangan kali tertentu, yang dipanggil faktor kualiti. Arus besar ini tidak meninggalkan had litar, kerana ia berada di luar fasa dan mengimbangi diri mereka sendiri. Perlu diingat juga bahawa rintangan litar berayun selari cenderung kepada infiniti pada frekuensi resonans (tidak seperti litar berayun siri, rintangannya cenderung kepada sifar pada frekuensi resonans), dan ini menjadikannya penapis yang sangat diperlukan.

Perlu diingat bahawa sebagai tambahan kepada litar berayun mudah, terdapat juga litar berayun jenis pertama, kedua dan ketiga, yang mengambil kira kerugian dan mempunyai ciri lain.

Ayunan elektromagnet paksa dipanggil perubahan berkala dalam kekuatan arus dan voltan dalam litar elektrik, yang berlaku di bawah tindakan EMF boleh ubah daripada sumber luaran. Sumber luaran EMF dalam litar elektrik ialah alternator yang beroperasi di loji kuasa.

Prinsip operasi alternator mudah ditunjukkan apabila mempertimbangkan bingkai berputar wayar dalam medan magnet.

Dalam medan magnet seragam dengan aruhan B kami meletakkan bingkai segi empat tepat yang dibentuk oleh konduktor (abсd).

Biarkan satah bingkai itu berserenjang dengan aruhan medan magnet B dan luasnya adalah sama dengan S.

Fluks magnet pada masa t 0 \u003d 0 akan sama dengan Ф \u003d V * 8.

Dengan putaran seragam bingkai di sekeliling paksi OO 1 dengan halaju sudut w, fluks magnet yang menembusi bingkai akan berubah mengikut masa mengikut undang-undang:

Perubahan dalam fluks magnet merangsang dalam bingkai EMF induksi yang sama dengan

di mana E 0 \u003d VSw ialah amplitud EMF.

Jika, dengan bantuan cincin gelincir dan berus yang menggelongsor di sepanjangnya, kami menyambungkan hujung bingkai dengan litar elektrik, maka di bawah tindakan EMF aruhan, yang berubah mengikut masa mengikut undang-undang harmonik, ayunan arus harmonik paksa akan berlaku dalam litar elektrik - arus ulang alik.

Dalam praktiknya, EMF sinusoidal teruja bukan dengan memutarkan bingkai dalam medan magnet, tetapi dengan memutar magnet atau elektromagnet (pemutar) di dalam stator - belitan tetap yang dililit pada teras bahan magnet lembut. Dalam belitan ini terdapat EMF berubah-ubah, yang memungkinkan untuk mengelakkan pelepasan tekanan menggunakan gelang gelincir.

Fenomena resonans merujuk kepada sifat terpenting litar elektrik dari sudut praktikal. Ia terletak pada hakikat bahawa litar elektrik yang mempunyai unsur reaktif mempunyai rintangan rintangan semata-mata.

Keadaan resonans am untuk mana-mana rangkaian dua terminal boleh dirumuskan sebagai Im[ Z]=0 atau Saya[ Y]=0, di mana Z dan Y rintangan kompleks dan kekonduksian rangkaian dua terminal. Akibatnya, mod resonans sepenuhnya ditentukan oleh parameter litar elektrik dan tidak bergantung pada pengaruh luaran padanya daripada sumber tenaga elektrik.

solenoid dipanggil konduktor dipintal dalam lingkaran, di mana arus elektrik dialirkan (Rajah 1, a).

Jika anda memotong secara mental lilitan solenoid merentasi, tetapkan arah arus di dalamnya, seperti yang ditunjukkan di atas, dan tentukan arah garis aruhan magnet mengikut "peraturan gimlet", kemudian medan magnet keseluruhan solenoid akan kelihatan seperti ini, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1, b.

Rajah 1. Solenoid ( a) dan medan magnetnya ( b)

Rajah 2. Model komputer solenoid

Pada paksi solenoid yang panjang tak terhingga, pada setiap unit panjangnya digulung n 0 pusingan, kekuatan medan magnet di dalam solenoid diberikan oleh:

H = saya × n 0 .

Di tempat di mana garis magnet memasuki solenoid, kutub selatan terbentuk, di mana mereka keluar - kutub utara.

Untuk menentukan kutub solenoid, "peraturan gimlet" digunakan, menerapkannya seperti berikut: jika anda meletakkan gimlet di sepanjang paksi solenoid dan memutarnya ke arah arus dalam lilitan gegelung solenoid , maka pergerakan translasi gimlet akan menunjukkan arah medan magnet (Rajah 3).

Video mengenai solenoid:

Elektromagnet

Solenoid dengan teras keluli (besi) di dalamnya dipanggil elektromagnet(gambar 4 dan 5). Medan magnet elektromagnet adalah lebih kuat daripada solenoid kerana kepingan keluli yang tertanam dalam solenoid dimagnetkan dan medan magnet yang terhasil dikuatkan. Kutub elektromagnet boleh ditentukan, serta solenoid, mengikut "peraturan gimlet".

Rajah 5. Gegelung elektromagnet

Elektromagnet digunakan secara meluas dalam kejuruteraan. Mereka berfungsi untuk mencipta medan magnet dalam penjana elektrik dan motor, dalam alat pengukur elektrik, radas elektrik dan seumpamanya.

Dalam pemasangan kuasa tinggi, pemutus litar automatik, minyak dan udara digunakan sebagai ganti fius untuk memutuskan sambungan bahagian litar yang rosak. Pelbagai geganti digunakan untuk menggerakkan gegelung trip pemutus litar. Relay ialah peranti atau mesin yang bertindak balas terhadap perubahan arus, voltan, kuasa, frekuensi dan parameter lain.

Daripada sejumlah besar geganti, berbeza dalam tujuan, prinsip operasi dan reka bentuk, kami akan mempertimbangkan secara ringkas peranti geganti elektromagnet. Rajah 6 menunjukkan reka bentuk geganti ini. Operasi geganti adalah berdasarkan interaksi medan magnet yang dicipta oleh gegelung tetap, yang melaluinya arus, dan angker alih keluli elektromagnet. Apabila keadaan operasi dalam litar arus utama berubah, gegelung geganti ditenagakan, fluks magnet teras menarik (berpusing atau menarik balik) angker, yang menutup kenalan litar yang memutuskan sambungan gegelung pemacu litar minyak dan udara pemutus atau geganti tambahan.

Rajah 6. Geganti elektromagnet

Relay juga telah menemui aplikasi dalam automasi dan telemekanik.

Fluks magnet solenoid (elektromagnet) meningkat dengan peningkatan bilangan lilitan dan arus di dalamnya. Daya magnetisasi bergantung kepada hasil darab arus dan bilangan lilitan (bilangan lilitan ampere).

Jika, sebagai contoh, kita mengambil solenoid, belitan yang melepasi arus 5 A dan bilangan lilitannya ialah 150, maka bilangan lilitan ampere ialah 5 × 150 = 750. Fluks magnet yang sama akan diperoleh jika kita mengambil 1500 pusingan dan melepasi arus 0.5 melalui mereka A, kerana 0.5 × 1500 = 750 pusingan ampere.

Anda boleh meningkatkan fluks magnet solenoid dengan cara berikut: 1) meletakkan teras keluli ke dalam solenoid, mengubahnya menjadi elektromagnet; 2) meningkatkan keratan rentas teras keluli elektromagnet (sejak dengan arus tertentu, kekuatan medan magnet, dan oleh itu, aruhan magnet, peningkatan dalam keratan rentas membawa kepada peningkatan dalam fluks magnet); 3) mengurangkan jurang udara teras elektromagnet (kerana dengan penurunan dalam laluan garis magnet melalui udara, rintangan magnet berkurangan).

Video tentang elektromagnet: