Solenoider - enhet, arbeid, applikasjon. De mest optimale solenoidkontrollalternativene

solenoid kalt en spole med sylindrisk form laget av tråd, hvis svinger er viklet tett i én retning, og lengden på spolen er mye større enn radiusen til svingen.

Magnetfeltet til en solenoid kan representeres som et resultat av tillegg av felt skapt av flere sirkulære strømmer som har en felles akse. Figur 3 viser at inne i solenoiden har linjene for magnetisk induksjon av hver enkelt sving samme retning, mens de mellom tilstøtende svinger har motsatt retning.

Derfor, med en tilstrekkelig tett vikling av solenoiden, kansellerer de motsatt rettede seksjonene av de magnetiske induksjonslinjene i tilstøtende svinger hverandre, og de like rettede seksjonene smelter sammen til en felles linje av magnetisk induksjon som passerer inne i solenoiden og dekker den fra utenfor. Studiet av dette feltet ved bruk av sagflis viste at feltet er jevnt inne i solenoiden, de magnetiske linjene er rette linjer parallelt med solenoidens akse, som divergerer i endene og lukker seg utenfor solenoiden (fig. 4).

Det er lett å se likheten mellom magnetfeltet til en solenoid (utenfor den) og magnetfeltet til en permanent stangmagnet (fig. 5). Enden av solenoiden som de magnetiske linjene går ut fra ligner på magnetens nordpol N, den andre enden av solenoiden, som de magnetiske linjene kommer inn i, ligner på sørpolen til magneten S.

Polene til en solenoid med strøm er enkle å bestemme eksperimentelt ved hjelp av en magnetisk nål. Når vi kjenner retningen til strømmen i spolen, kan disse polene bestemmes ved å bruke regelen for høyre skrue: vi roterer hodet til høyre skrue i henhold til strømmen i spolen, så vil translasjonsbevegelsen til spissen av skruen angi retningen til magnetfeltet til solenoiden, og derfor dens nordpol. Den magnetiske induksjonsmodulen inne i en ettlags solenoid beregnes av formelen

B = μμ 0 NI l = μμ 0 nl,

hvor Ν er antall omdreininger i solenoiden, Jeg er lengden på solenoiden, n er antall omdreininger per lengdeenhet til solenoiden.

Magnetisering av en magnet. Magnetiseringsvektor.

Hvis en strøm går gjennom lederen, dannes det et magnetisk felt rundt lederen. Vi har så langt vurdert ledninger som strømmer gjennom i et vakuum. Hvis ledningene som fører strømmen er i et bestemt miljø, vil smp. Endringer. Dette forklares med det faktum at under virkningen av m.p. ethvert stoff er i stand til å tilegne seg et magnetisk moment, eller bli magnetisert (et stoff blir magnetisk). Stoffer som magnetiseres i det ytre smp. mot feltets retning kalles diamagneter. Stoffer som er svakt magnetisert i ytre smp. i retning av feltet kalles paramagneter Magnetisert materie skaper smp. - , dette er m.p. overlagret på mp, på grunn av strømmer - . Så det resulterende feltet: . (54.1) Det sanne (mikroskopiske) feltet i en magnet varierer sterkt innenfor grensene for intermolekylære avstander. er det gjennomsnittlige makroskopiske feltet. Til forklaring magnetisering kropper Ampere antydet at sirkulære mikroskopiske strømmer sirkulerer i molekylene til et stoff, på grunn av bevegelsen av elektroner i atomer og molekyler. Hver slik strøm har et magnetisk moment og skaper et magnetisk felt i det omkringliggende rommet. Hvis det ikke er noe eksternt felt, er molekylstrømmene tilfeldig orientert, og det resulterende feltet på grunn av dem er 0. Magnetisering er en vektormengde lik det magnetiske momentet per volumenhet av en magnet: , (54.3) hvor er et fysisk uendelig lite volum tatt i nærheten av det aktuelle punktet; er det magnetiske momentet til et individuelt molekyl. Summen utføres over alle molekylene i volumet (husk hvor, - polarisering dielektrisk, - dipolelement ). Magnetisering kan representeres som følger: Magnetiseringsstrømmer I". Magnetiseringen av et stoff er assosiert med den dominerende orienteringen av de magnetiske momentene til individuelle molekyler i én retning. De elementære sirkulære strømmene knyttet til hvert molekyl kalles molekylær. Molekylærstrømmer viser seg å være orientert, dvs. magnetiserende strømmer oppstår. Strømmene som strømmer gjennom ledningene, på grunn av bevegelsen av strømbærere i stoffet, kalles ledningsstrømmer -. For et elektron som beveger seg i en sirkulær bane med klokken; strømmen rettes mot klokken og, i henhold til regelen for høyre skrue, rettet vertikalt oppover. Sirkulasjon av magnetiseringsvektoren langs en vilkårlig lukket krets er lik den algebraiske summen av magnetiseringsstrømmene som dekkes av G-kretsen. Differensialform av vektorsirkulasjonsteoremet. Magnetisk feltstyrke (standardbetegnelse H) er en vektorfysisk mengde lik forskjellen til den magnetiske induksjonsvektoren B og magnetiseringsvektoren M. I SI: hvor - magnetisk konstant. I det enkleste tilfellet av et isotropisk (med tanke på magnetiske egenskaper) medium og i tilnærmingen til tilstrekkelig lave frekvenser av feltendringen B og H er rett og slett proporsjonale med hverandre, bare forskjellige med en numerisk faktor (avhengig av miljøet) B = μ H i systemet GHS eller B = μ 0 μ H i systemet SI(cm. Magnetisk permeabilitet, se også Magnetisk følsomhet). I system GHS magnetisk feltstyrke måles i oersteds(E), i SI-systemet - i ampere pr måler(Er). I teknologien blir oersted gradvis erstattet av SI-enheten - ampere per meter. 1 Oe \u003d 1000 / (4π) A / m ≈ 79,5775 A / m. 1 A/m = 4π/1000 Oe ≈ 0,01256637 Oe. fysisk mening I vakuum (eller i fravær av et medium som er i stand til magnetisk polarisering, så vel som i tilfeller der sistnevnte er ubetydelig), faller magnetfeltstyrken sammen med den magnetiske induksjonsvektoren opp til en faktor lik 1 i CGS og μ 0 in SI. PÅ magneter(magnetiske medier) magnetfeltstyrken har den fysiske betydningen av et "eksternt" felt, det vil si at det sammenfaller (kanskje, avhengig av måleenhetene, opp til en konstant koeffisient, slik som i SI-systemet, som ikke endre den generelle betydningen) med en slik vektormagnetisk induksjon, som "ville være hvis det ikke var noen magnet." For eksempel, hvis feltet er skapt av en strømførende spole som en jernkjerne er satt inn i, vil magnetfeltstyrken H innsiden av kjernen sammenfaller (i GHS nøyaktig, og i SI - opp til en konstant dimensjonal koeffisient) med vektoren B 0 , som ville bli skapt av denne spolen i fravær av en kjerne, og som i prinsippet kan beregnes basert på geometrien til spolen og strømmen i den, uten ytterligere informasjon om materialet til kjernen og dens magnetiske eiendommer. Samtidig bør det huskes at en mer grunnleggende egenskap ved magnetfeltet er den magnetiske induksjonsvektoren B . Det er han som bestemmer styrken til magnetfeltet på bevegelige ladede partikler og strømmer, og kan også måles direkte, mens magnetfeltstyrken H kan snarere betraktes som en hjelpemengde (selv om det er lettere å beregne den, i det minste i det statiske tilfellet, som er verdien: tross alt, H lage den såkalte frie strømmer, som er relativt enkle å måle direkte, men vanskelige å måle koblede strømmer- det vil si molekylære strømmer osv. - trenger ikke tas i betraktning). Riktignok i det ofte brukte uttrykket for energien til et magnetfelt (i et medium) B og H inn nesten likt, men det må huskes på at denne energien inkluderer energien som brukes på polariseringen av mediet, og ikke bare energien til selve feltet. Energien til magnetfeltet som sådan uttrykkes bare gjennom det fundamentale B . Det er imidlertid klart at verdien H fenomenologisk og her er det veldig praktisk. Typer magneter Diamagneter har en magnetisk permeabilitet litt mindre enn 1. De skiller seg ut ved at de skyves ut av magnetfeltet. Paramagneter har en magnetisk permeabilitet litt mer enn 1. De aller fleste materialer er dia- og paramagnetiske. ferromagneter har eksepsjonelt høy magnetisk permeabilitet, og når opp til en million. Når feltet øker, vises fenomenet hysterese, når verdiene til B (H) ikke faller sammen med en økning i intensiteten og med en påfølgende reduksjon i intensiteten. Det er flere definisjoner av magnetisk permeabilitet i litteraturen. Initial magnetisk permeabilitet m n- verdien av den magnetiske permeabiliteten ved lav feltstyrke. Maksimal magnetisk permeabilitet m maks- den maksimale verdien av den magnetiske permeabiliteten, som vanligvis oppnås i middels magnetiske felt. Av de andre grunnleggende begrepene som karakteriserer magnetiske materialer, merker vi følgende. Metningsmagnetisering- den maksimale magnetiseringen, som oppnås i sterke felt, når alle de magnetiske momentene til domenene er orientert langs magnetfeltet. Hystereseløkke- avhengighet av induksjon av styrken til magnetfeltet når feltet endres i en syklus: stige til en viss verdi - reduksjon, overgang gjennom null, etter å ha nådd samme verdi med motsatt fortegn - vekst, etc. Maksimal hystereseløkke- nå maksimal metningsmagnetisering. Resterende induksjon B hvile- magnetisk feltinduksjon på omvendt kurs av hysteresesløyfen ved null magnetfeltstyrke. Tvangskraft N s- feltstyrke på omvendt kurs av hysteresesløyfen hvor null induksjon oppnås. Magnetiske øyeblikk av atomer Magnetisk øyeblikk Elementærpartikler har en iboende kvantemekanisk egenskap kjent som spinn. Det ligner på vinkelmomentet til et objekt som roterer rundt sitt eget massesenter, selv om disse partiklene strengt tatt er punktpartikler og man kan ikke snakke om deres rotasjon. Spinn måles i enheter av den reduserte Planck-konstanten (), så har elektroner, protoner og nøytroner et spinn lik ½. I et atom kretser elektroner rundt kjernen og har orbital vinkelmoment i tillegg til spinn, mens selve kjernen har vinkelmoment på grunn av kjernespinnet. Magnetfeltet som skapes av det magnetiske momentet til et atom bestemmes av disse forskjellige formene for vinkelmomentum, akkurat som i klassisk fysikk skaper roterende ladede objekter et magnetfelt. Det viktigste bidraget kommer imidlertid fra spinn. På grunn av elektronets egenskap, som alle fermioner, å adlyde Pauli-ekskluderingsregelen, ifølge hvilken to elektroner ikke kan være i samme kvantetilstand, parer de bundne elektronene seg med hverandre, og ett av elektronene er i spinn- opp tilstand, og den andre - med motsatt spinnprojeksjon - en tilstand med spinn ned. På denne måten kansellerer de magnetiske momentene til elektronene, og reduserer det totale magnetiske dipolmomentet til systemet til null i noen atomer med et jevnt antall elektroner. I ferromagnetiske elementer som jern, resulterer et oddetall elektroner i et uparet elektron og et totalt magnetisk moment som ikke er null. Orbitalene til naboatomer overlapper hverandre og den laveste energitilstanden nås når alle spinnene til de uparrede elektronene antar samme orientering, en prosess kjent som utvekslingsinteraksjon. Når de magnetiske momentene til de ferromagnetiske atomene justeres, kan materialet skape et målbart makroskopisk magnetfelt. Paramagnetiske materialer er sammensatt av atomer hvis magnetiske momenter er feilorientert i fravær av et magnetfelt, men de magnetiske momentene til individuelle atomer justeres når et magnetfelt påføres. Kjernen til et atom kan også ha et totalt spinn som ikke er null. Vanligvis, ved termodynamisk likevekt, er spinnene til kjernene tilfeldig orientert. For noen elementer (som xenon-129) er det imidlertid mulig å polarisere en betydelig brøkdel av kjernefysiske spinn for å skape en tilstand av co-directed spins - en tilstand som kalles hyperpolarisering. Denne tilstanden er av stor praktisk betydning ved magnetisk resonansavbildning. Magnetfeltet har energi. Akkurat som en ladet kondensator har tilførsel av elektrisk energi, har en spole med strøm som flyter gjennom spolene en tilførsel av magnetisk energi. Hvis du slår på en elektrisk lampe parallelt med en spole med stor induktans i en DC elektrisk krets, så når nøkkelen åpnes, observeres et kort blink fra lampen. Strømmen i kretsen oppstår under virkningen av selvinduksjons-EMK. Energikilden som frigjøres i dette tilfellet i den elektriske kretsen er magnetfeltet til spolen. Energien W m til magnetfeltet til en spole med induktans L, skapt av strømmen I, er lik W m = LI 2/2

Instrumenter og tilbehør: laboratorieoppsett med solenoid, strømforsyning, millivoltmeter, amperemeter.

Kort teori

solenoid kalt en sylindrisk spole som inneholder et stort antall vindinger med ledning som strøm flyter gjennom. Hvis stigningen til spiralen til lederen som danner spolen er liten, kan hver strømførende sving betraktes som en separat sirkulær strøm, og solenoiden som et system av seriekoblede sirkulære strømmer med samme radius, med en felles akser.

Magnetfeltet inne i solenoiden kan betraktes som summen av magnetfeltene som skapes av hver sving. Magnetfeltinduksjonsvektoren inne i solenoiden er vinkelrett på svingenes plan, dvs. er rettet langs solenoidens akse og danner et høyrehendt system med retningen til ringstrømmene til svingene. Et omtrentlig bilde av kraftlinjene til magnetfeltet til solenoiden er vist i fig. 1. De magnetiske feltlinjene er lukket.

Figur 2 viser et utsnitt av en solenoid med lengde L og med et antall omdreininger N og en tverrsnittsradius R. Sirklene med prikker indikerer seksjonene av spolens omdreininger som strømmen går gjennom ledet jeg fra tegningen til oss , og sirklene med kryss indikerer delene av svingene der strømmen er rettet utover tegningen. Antall omdreininger per lengdeenhet av solenoiden er angitt med .

Magnetfeltinduksjonen ved punkt A, plassert på solenoidens akse, bestemmes ved å integrere magnetfeltene som skapes av hver sving, og er lik

, (1)

hvor og er vinklene dannet med aksen til solenoiden av radiusvektorer og trukket fra punkt A til de ekstreme svingene til solenoiden, er den magnetiske permeabiliteten til mediet, magnetisk konstant.

Dermed er den magnetiske induksjonen B direkte proporsjonal med strømstyrken, den magnetiske permeabiliteten til mediet som fyller solenoiden og antall omdreininger per lengdeenhet. Magnetisk induksjon avhenger også av posisjonen til punkt A i forhold til endene av solenoiden. La oss vurdere noen spesielle tilfeller:

1. La punktet A være i midten av solenoiden, så , og . Hvis solenoiden er lang nok, da og 2)

2. La punkt A være i sentrum av den ytterste svingen, så , og . Hvis solenoiden er lang nok, så , og (3)

Det kan sees fra formlene (2) og (3) at den magnetiske induksjonen til solenoiden ved kanten er halvparten så mye som verdien i midten.

3. Hvis lengden på solenoiden er mange ganger større enn radiusen til dens svinger
("uendelig" lang solenoid), da for alle punkter som ligger inni
solenoid på sin akse, kan du sette . Deretter
feltet kan betraktes som ensartet i den sentrale delen av solenoiden og kan beregnes ved hjelp av formelen

Ensartetheten til magnetfeltet brytes nær kantene på solenoiden. I dette tilfellet kan induksjonen bestemmes av formelen

hvor k er en koeffisient som tar hensyn til feltets inhomogenitet.

Den eksperimentelle studien av magnetfeltet til solenoiden i dette arbeidet utføres ved hjelp av en spesiell sonde - en liten spole montert inne i stangen med en målestokk. Spolens akse faller sammen med solenoidens akse, spolen er koblet til et vekselstrøm millivoltmeter, hvis inngangsmotstand er mye større enn motstanden til sondespolen. Hvis det går en vekselstrøm gjennom solenoiden standard frekvens (= 50 Hz), deretter inne i solenoiden og på kantene, endres induksjonen av det vekslende magnetfeltet i henhold til loven (se (5)):

Amplituden til den magnetiske induksjonen i denne formelen avhenger av posisjonen til punktet inne i solenoiden. Hvis en sondespole er plassert i en solenoid, oppstår det, i samsvar med loven om elektromagnetisk induksjon, en induksjons-EMK i den:

, (6)

hvor N 1 er antall omdreininger i spolen, S er tverrsnittsarealet til spolen, Ф er den magnetiske fluksen (fordi spolens akse faller sammen med aksen til solenoiden og derfor den magnetiske induksjonsvektor er vinkelrett på planet til spolens tverrsnitt.).

Siden størrelsen på induksjonen B endres i henhold til loven , , så fra (6) oppnås formelen for beregning av EMF:

Det kan sees fra uttrykk (7) at EMF-amplituden avhenger av . Ved å måle amplituden til EMF kan vi derfor bestemme:

Koeffisienten k, som tar hensyn til inhomogeniteten til magnetfeltet til solenoiden ved kantene, kan bestemmes av formelen. (5), vite og:

(9)

hvor er amplituden til vekselstrømmen som flyter gjennom solenoiden.

Fra formlene (7) og (9) følger det at amplituden til induksjons-emf er direkte proporsjonal med amplituden til vekselstrømmen:

Amperemeteret og millivoltmeteret som er inkludert i vekselstrømkretsen måler de effektive verdiene for strøm og EMF, som er assosiert med amplituder og forhold:

For de effektive verdiene for strøm og EMF har formel (10) formen

(11)

Fra formel (11) følger det at forholdet er proporsjonalt med koeffisienten K for inhomogeniteten til magnetfeltinduksjonen ved punktet av solenoiden der målingene blir tatt

(12)

hvor A er proporsjonalitetskoeffisienten.

I dette arbeidet er det nødvendig å utføre to oppgaver: 1) bestemme fordelingen av induksjon langs solenoidens akse ved en viss konstant strømverdi; 2) bestemme verdien av koeffisienten k.

Sikkerhetstiltak:

1. Ikke koble / uavhengig strømforsyning og millivoltmeter til et 220 V-nettverk.

2. Ikke bytt strømførende kretser.

Ikke berør bare deler av kretsløp.

3. Ikke la kretsen være slått på uten tilsyn.

Arbeidsordre

Oppgave nummer 1. Undersøkelse av fordelingen av magnetfeltinduksjon langs solenoidens akse.

1. Sett sammen målekretsen i henhold til skjemaet vist i fig. 3. For å gjøre dette, koble en strømkilde og et amperemeter til solenoidkretsen, og et millivoltmeter til sondespolens ledninger (for å måle ) I denne installasjonen har sondespolen følgende parametere: = 200 omdreininger, S = 2 * 10 -4 m 2, frekvens AC = 50 Hz, Antall omdreininger per lengdeenhet av solenoiden n = 2400 1/m

1- laboratoriestativ Z - stang "

2-spole-sonde

3- solenoid
5- amperemeter

6 - strømforsyning med utgangsspenning (strøm) regulator, 7 - millivoltmeter.

2. Plasser stangen med skalastangen slik at sondespolen er omtrent i midten av solenoiden.

3. Slå på solenoidens strømforsyning og still inn solenoidstrømmen (i henhold til amperemeteret) til = 25mA. Slå på millivoltmeteret og ta avlesninger etter oppvarming (5 minutter).

4. Flytte stangen med en lineær skala, mål ved hjelp av
millivoltmeter effektiv verdi av induksjons-EMK gjennom hver
centimeter plassering av linjalen. Regn ut med formel (8).
Registrer resultatene av målinger og beregninger i tabell 1 (merk det).

Magnetfeltet til solenoiden er en superposisjon av individuelle felt, som skapes av hver sving individuelt. Den samme strømmen går gjennom alle svingene. Aksene til alle svinger ligger på samme linje. Solenoiden er en induktor som har en sylindrisk form. Denne spolen er viklet med ledende ledning. I dette tilfellet er svingene stablet tett til hverandre og har én retning. Det antas at lengden på spolen betydelig overstiger diameteren på svingene.

La oss se på den magnetiske induksjonen som skapes av hver sving. Det kan sees at induksjonen inne i hver spole er rettet i samme retning. Hvis du ser på midten av spolen, vil induksjonen fra kantene øke. I dette tilfellet er magnetfeltinduksjonen mellom to tilstøtende svinger rettet motsatt. Siden den er skapt av den samme strømmen, blir den kompensert.

Figur 1 - Feltet skapt av individuelle svinger på solenoiden

Hvis svingene til solenoiden er viklet tett nok, vil tellefeltet mellom alle svingene bli kompensert, og inne i svingene vil de enkelte feltene bli lagt til ett felles felt. Linjene i dette feltet vil passere inne i solenoiden og dekke den utenfor.

Hvis du undersøker magnetfeltet inne i solenoiden på noen måte, for eksempel ved hjelp av jernspåner, kan du konkludere med at det er homogent. De magnetiske feltlinjene i dette området er parallelle rette linjer. Ikke bare er de parallelle med seg selv, men de er også parallelle med solenoidens akse. Går utover solenoiden, er de bøyd og lukket utenfor spolen.

Figur 2 - Feltet skapt av solenoiden

Det kan sees fra figuren at feltet som skapes av solenoiden ligner på feltet som lager en permanent stangmagnet. I den ene enden går kraftlinjene ut av solenoiden, og denne enden er analog med nordpolen til en permanent magnet. Og de går inn i den andre, og denne enden tilsvarer sydpolen. Forskjellen er at feltet også er tilstede inne i solenoiden. Og hvis du utfører et eksperiment med jernspon, vil de bli trukket inn i rommet mellom svingene.

Men hvis en trekjerne eller en kjerne laget av et annet ikke-magnetisk materiale settes inn i solenoiden, vil bildet av feltet til den permanente magneten og solenoiden være identisk under eksperimentet med jernspon. Siden trekjernen ikke vil forvrenge kraftlinjene, men samtidig ikke tillate sagflis å trenge inn i spolen.

Figur 3 - Bilde av feltet til en permanent stangmagnet

Flere metoder kan brukes for å bestemme polene til en solenoid. For eksempel er det enkleste å bruke en magnetnål. Den vil bli tiltrukket av magnetens motsatte pol. Hvis retningen til strømmen i spolen er kjent, kan polene bestemmes ved hjelp av regelen for høyre skrue. Hvis du roterer hodet til høyre skrue i retning av strømmen, vil translasjonsbevegelsen indikere retningen til feltet i solenoiden. Og å vite at feltet er rettet fra nordpolen mot sør, og du kan bestemme hvor hvilken pol ligger.

En solenoid er en lang, tynn spole, det vil si en spole hvis lengde er mye større enn dens diameter (også i de følgende beregningene antas det her at tykkelsen på viklingen er mye mindre enn diameteren på spolen). Under disse forholdene og uten bruk av magnetisk materiale, er den magnetiske flukstettheten inne i spolen praktisk talt konstant og er (omtrent) lik

hvor er den magnetiske konstanten, er antall omdreininger, er strømmen og er lengden på spolen. Når vi ser bort fra kanteffektene ved endene av solenoiden, finner vi at flukskoblingen gjennom spolen er lik flukstettheten ganger tverrsnittsarealet og antall omdreininger:

Herfra følger formelen for induktansen til solenoiden (uten kjerne):

Hvis spolen inne er helt fylt med magnetisk materiale (kjerne), avviker induktansen med en faktor - den relative magnetiske permeabiliteten til kjernen:

I tilfelle når , er det mulig (bør) under S forstå tverrsnittsarealet til kjernen og bruk denne formelen selv med tykke viklinger, med mindre det totale tverrsnittsarealet til spolen ikke overstiger tverrsnittsarealet til kjernen av mange ganger.

Mer nøyaktige formler for en finitt størrelse solenoid

For en enkeltlags (svært tynt viklet) solenoid med endelige dimensjoner (ikke uendelig lang), er det mer nøyaktige, om enn mer komplekse formler:

antall svinger,

sylinderradius,

Lengden på generatrisen,

Elliptiske integraler.

Transformator. Energien til magnetfeltet. Grunnleggende om Maxwells teori. Maxwells ligninger i integralform.

Elektrisk oscillerende krets. Dempede elektromagnetiske oscillasjoner. Tvungede elektromagnetiske oscillasjoner. Resonansfenomen

Oscillerende krets- en oscillator, som er en elektrisk krets som inneholder en tilkoblet induktor og kondensator. I en slik krets kan strøm- (og spennings-) oscillasjoner eksiteres.

En oscillerende krets er det enkleste systemet der frie elektromagnetiske oscillasjoner kan oppstå.

Resonansfrekvensen til kretsen bestemmes av den såkalte Thomson-formelen:

Driftsprinsipp

La en kondensator med en kapasitet C ladet til spenning. Energien som er lagret i kondensatoren er

Når en kondensator kobles til en induktor, vil det flyte en strøm i kretsen, som vil forårsake en elektromotorisk kraft (EMF) av selvinduksjon i spolen, rettet mot å redusere strømmen i kretsen. Strømmen forårsaket av denne EMF (i fravær av tap i induktansen) i det første øyeblikket vil være lik utladningsstrømmen til kondensatoren, det vil si at den resulterende strømmen vil være lik null. Den magnetiske energien til spolen i dette (initielle) øyeblikket er null.

Da vil den resulterende strømmen i kretsen øke, og energien fra kondensatoren vil passere inn i spolen til kondensatoren er fullstendig utladet. På dette punktet, den elektriske energien til kondensatoren. Den magnetiske energien konsentrert i spolen er tvert imot maksimal og lik

Hvor er induktansen til spolen, er den maksimale verdien av strømmen.

Etter det vil oppladingen av kondensatoren begynne, det vil si ladningen av kondensatoren med en spenning med en annen polaritet. Lading vil finne sted inntil den magnetiske energien til spolen er omdannet til den elektriske energien til kondensatoren. Kondensatoren, i dette tilfellet, vil igjen bli ladet til en spenning.

Som et resultat oppstår det oscillasjoner i kretsen, hvis varighet vil være omvendt proporsjonal med energitapene i kretsen.

Generelt kalles prosessene beskrevet ovenfor i en parallell oscillerende krets strømresonans, noe som betyr at strømmer flyter gjennom induktansen og kapasitansen, mer enn strømmen som går gjennom hele kretsen, og disse strømmene er større med et visst antall ganger, som kalles kvalitetsfaktoren. Disse store strømmene forlater ikke grensene for kretsen, siden de er ute av fase og kompenserer seg selv. Det er også verdt å merke seg at motstanden til en parallell oscillerende krets har en tendens til uendelig ved resonansfrekvensen (i motsetning til en serie oscillerende krets, hvis motstand har en tendens til null ved resonansfrekvensen), og dette gjør den til et uunnværlig filter.

Det er verdt å merke seg at i tillegg til en enkel oscillerende krets, er det også oscillerende kretser av den første, andre og tredje typen, som tar hensyn til tap og har andre funksjoner.

Tvungede elektromagnetiske oscillasjoner kalt periodiske endringer i styrken til strøm og spenning i en elektrisk krets, som skjer under påvirkning av en variabel EMF fra en ekstern kilde. En ekstern kilde til EMF i elektriske kretser er generatorer som opererer ved kraftverk.

Prinsippet for drift av en dynamo er lett å vise når man vurderer en roterende ramme av en ledning i et magnetfelt.

I et jevnt magnetfelt med induksjon B plasserer vi en rektangulær ramme dannet av ledere (abсd).

La planet til rammen være vinkelrett på induksjonen av magnetfeltet B og arealet er lik S.

Den magnetiske fluksen på tidspunktet t 0 \u003d 0 vil være lik Ф \u003d V * 8.

Med en jevn rotasjon av rammen rundt aksen OO 1 med en vinkelhastighet w, vil den magnetiske fluksen som trenger inn i rammen endres over tid i henhold til loven:

En endring i den magnetiske fluksen eksiterer i EMF-rammen en induksjon lik

hvor E 0 \u003d VSw er amplituden til EMF.

Hvis vi ved hjelp av sleperinger og børster som glir langs dem forbinder endene av rammen med en elektrisk krets, vil tvungne harmoniske strømsvingninger under påvirkning av induksjons-EMK, som endres over tid i henhold til en harmonisk lov. oppstår i den elektriske kretsen - vekselstrøm.

I praksis blir en sinusformet EMF begeistret ikke ved å rotere rammen i et magnetfelt, men ved å rotere en magnet eller elektromagnet (rotor) inne i statoren - faste viklinger viklet på kjerner av mykt magnetisk materiale. I disse viklingene er det variabel EMF, som gjør det mulig å unngå spenningsavlastning ved bruk av sleperinger.

Resonansfenomen refererer til de viktigste egenskapene til elektriske kretser fra et praktisk synspunkt. Det ligger i det faktum at en elektrisk krets som har reaktive elementer har en ren resistiv motstand.

Generell resonanstilstand for et hvilket som helst toterminalnettverk kan formuleres som Im[ Z]=0 eller jeg[ Y]=0, hvor Z og Y kompleks motstand og ledningsevne til et to-terminalnettverk. Følgelig er resonansmodusen fullstendig bestemt av parametrene til den elektriske kretsen og er ikke avhengig av ytre påvirkninger på den fra kilder til elektrisk energi.

solenoid kalt en leder vridd i en spiral, som en elektrisk strøm føres gjennom (Figur 1, en).

Hvis du mentalt kutter svingene til solenoiden over, angi retningen til strømmen i dem, som angitt ovenfor, og bestemme retningen til de magnetiske induksjonslinjene i henhold til "regelen for gimlet", så magnetfeltet til hele solenoiden vil se slik ut, som vist i figur 1, b.

Figur 1. Solenoid ( en) og dets magnetiske felt ( b)

Figur 2. Solenoid datamaskinmodell

På aksen til en uendelig lang solenoid, på hver lengdeenhet som er viklet n 0 omdreininger, er magnetfeltstyrken inne i solenoiden gitt av:

H = Jeg × n 0 .

På stedet der de magnetiske linjene kommer inn i solenoiden, dannes sørpolen, hvor de går ut - nordpolen.

For å bestemme polene til solenoiden, brukes "regelen for gimlet" og bruker den som følger: hvis du plasserer gimlet langs solenoidens akse og roterer den i retning av strømmen i svingene til solenoidspolen , så vil translasjonsbevegelsen til gimlet vise retningen til magnetfeltet (Figur 3).

Video om solenoiden:

Elektromagnet

En solenoid med en stålkjerne (jern) inni kalles elektromagnet(bilde 4 og 5). Magnetfeltet til en elektromagnet er sterkere enn det til en solenoid fordi stålstykket som er innebygd i solenoiden er magnetisert og det resulterende magnetfeltet forsterkes. Polene til en elektromagnet kan bestemmes, så vel som en solenoid, i henhold til "regelen for gimlet".

Figur 5. Elektromagnetspole

Elektromagneter er mye brukt i ingeniørfag. De tjener til å skape et magnetfelt i elektriske generatorer og motorer, i elektriske måleinstrumenter, elektriske apparater og lignende.

I installasjoner med høy effekt brukes automatiske, olje- og luftstrømbrytere i stedet for sikringer for å koble fra en skadet del av kretsen. Ulike releer brukes til å aktivere utløsespolene til effektbrytere. Releer er enheter eller maskiner som reagerer på endringer i strøm, spenning, effekt, frekvens og andre parametere.

Fra et stort antall releer, forskjellige i deres formål, operasjonsprinsipp og design, vil vi kort vurdere enheten til elektromagnetiske reléer. Figur 6 viser utformingen av disse reléene. Driften av reléet er basert på samspillet mellom magnetfeltet skapt av den faste spolen, som strømmen går gjennom, og det bevegelige ankeret i stål til elektromagneten. Når driftsforholdene i hovedstrømkretsen endres, aktiveres reléspolen, den magnetiske fluksen til kjernen trekker opp (vrir eller trekker tilbake) ankeret, som lukker kontaktene til kretsen som kobler fra drivspolene til olje- og luftkretsen brytere eller hjelpereleer.

Figur 6. Elektromagnetisk relé

Reléer har også funnet anvendelse innen automasjon og telemekanikk.

Den magnetiske fluksen til en solenoid (elektromagnet) øker med en økning i antall omdreininger og strøm i den. Magnetiseringskraften avhenger av produktet av strømmen og antall omdreininger (antall ampere omdreininger).

Hvis vi for eksempel tar en solenoid, hvis vikling passerer en strøm på 5 A og antallet omdreininger er 150, vil antallet ampere-omdreininger være 5 × 150 = 750. Den samme magnetiske fluksen vil oppnås hvis vi tar 1500 svinger og sender en strøm på 0,5 gjennom dem A, siden 0,5 × 1500 = 750 ampere omdreininger.

Du kan øke den magnetiske fluksen til solenoiden på følgende måter: 1) legg en stålkjerne inn i solenoiden, gjør den om til en elektromagnet; 2) øke tverrsnittet av stålkjernen til elektromagneten (siden med en gitt strøm, magnetisk feltstyrke, og derfor magnetisk induksjon, fører en økning i tverrsnittet til en økning i den magnetiske fluksen); 3) reduser luftgapet til kjernen til elektromagneten (fordi med en reduksjon i banen til magnetiske linjer gjennom luften, avtar magnetisk motstand).

Video om elektromagnet: