Соленоїди - будова, робота, застосування. Найбільш оптимальні варіанти керування соленоїдом

Соленоїдомназивають котушку циліндричної форми з дроту, витки якої намотані впритул в одному напрямку, а довжина котушки значно більша за радіус витка.

Магнітне поле соленоїда можна як результат складання полів, створюваних кількома круговими струмами, мають спільну вісь. На малюнку 3 видно, що всередині соленоїда лінії магнітної індукції кожного окремого витка мають однаковий напрямок, тоді як між сусідніми витками вони мають протилежний напрямок.

Тому при досить щільному намотуванні соленоїда протилежно спрямовані ділянки ліній магнітної індукції сусідніх витків взаємно знищуються, а однаково спрямовані ділянки зіллються в загальну лінію магнітної індукції, що проходить усередині соленоїда і охоплює його зовні. Вивчення цього поля за допомогою тирси показало, що всередині соленоїда поле є однорідним, магнітні лінії являють собою прямі лінії, паралельні осі соленоїда, які розходяться на його кінцях і замикаються поза соленоїдом (рис. 4).

Неважко помітити схожість між магнітним полем соленоїда (поза ним) і магнітним полем постійного стрижневого магніту (рис. 5). Кінець соленоїда, з якого магнітні лінії виходять, аналогічний північному полюсу магніту N, інший же кінець соленоїда, до якого входять магнітні лінії, аналогічний південному полюсу магніту S.

Полюси соленоїда із струмом на досвіді легко визначити за допомогою магнітної стрілки. Знаючи напрям струму у витку, ці полюси можна визначити за допомогою правила правого гвинта: обертаємо головку правого гвинта по струму у витку, тоді поступальний рух вістря гвинта вкаже напрямок магнітного поля соленоїда, а отже, і його північного полюса. Модуль магнітної індукції всередині одношарового соленоїда обчислюється за формулою

B = μμ 0 NI l = μμ 0 nl,

де Ν - Число витків в соленоїді, I- Довжина соленоїда, n- Число витків, що припадає на одиницю довжини соленоїда.

Намагнічування магнетика. Вектор намагніченості.

Якщо по провіднику тече струм, навколо провідника створюється МП. Ми поки що розглядали дроти, якими текли струми, що знаходяться у вакуумі. Якщо дроти, що несуть струм, перебувають у певному середовищі, то м.п. змінюється. Це тим, що під впливом м.п. всяка речовина здатна набувати магнітного моменту, або намагнічуватися (речовина стає магнетиком). Речовини, що намагнічуються у зовнішньому м.п. проти напрямку поля називаються діамагнетиками. Речовини, що слабо намагнічуються у зовнішньому м.п. у напрямку поля називаються парамагнетиками Намагнічене в-во створює м.п. - це м.п. накладається на м.п., обумовлене струмами -. Тоді результуюче поле: . (54.1) Справжнє (мікроскопічне) поле магнетиці сильно змінюється у межах міжмолекулярних відстаней. - усереднене макроскопічне поле. Для пояснення намагніченняТіл Ампер припустив, що в молекулах речовини циркулюють кругові мікроскопічні струми, зумовлені рухом електронів в атомах та молекулах. Кожен такий струм має магнітний момент і створює в навколишньому просторі м.п. Якщо зовнішнє поле відсутнє, то молекулярні струми орієнтовані безладно, і обумовлене ними результуюче поле дорівнює 0. Намагніченістю називають векторну величину, що дорівнює магнітному моменту одиниці об'єму магнетика: , (54.3) де - фізично нескінченно малий обсяг, взятий на околиці розглянутої точки; - Магнітний момент окремої молекули. Підсумовування проводиться за всіма молекулами, укладеними в обсязі (згадаємо де, - поляризованістьдіелектрика, - дипольний елемент ). Намагніченість можна так: Струми намагнічування I". Намагнічування речовини пов'язані з переважною орієнтацією магнітних моментів окремих молекул щодо одного напрямі. Елементарні кругові струми, пов'язані з кожною молекулою, називаються молекулярними. Молекулярні струми виявляються орієнтованими, тобто. виникають струми намагнічування - . Струми, що йдуть по проводах, внаслідок руху в речовині носіїв струму називають струмами провідності - . Для електрона, що рухається по круговій орбіті за годинниковою стрілкою; Струм спрямований проти годинникової стрілки і за правилом правого гвинта спрямований вертикально вгору. Циркуляція вектора намагніченостіпо довільному замкнутому контуру дорівнює сумі алгебри струмів намагнічування, охоплюваних контуром Г. Диференціальна форма запису теореми про циркуляцію вектора. Напруженість магнітного поля (стандартне позначення Н) — векторна фізична величина, що дорівнює різниці вектора магнітної індукції. Bта вектора намагніченості M. У СІ: де - магнітна постійна. У найпростішому випадку ізотропного (за магнітними властивостями) середовища та у наближенні досить низьких частот зміни поля B і H просто пропорційні один одному, відрізняючись просто числовим множником (залежним від середовища) B = μ H в системі СГСабо B = μ 0 μ H в системі СІ(Див. Магнітна проникністьтакож див. Магнітна сприйнятливість). В системі СГСнапруженість магнітного поля вимірюється в ерстедах(Е), в системі СІ - в амперах на метр(А/м). У техніці ерстед поступово витісняється одиницею СІ – ампером на метр. 1 Е = 1000/(4π) А/м ≈ 79,5775 А/м. 1 А/м = 4π/1000 Е ≈ 0,01256637 Е. Фізичний зміст У вакуумі (або відсутність середовища, здатного до магнітної поляризації, а також у випадках, коли остання зневажлива) напруженість магнітного поля збігається з вектором магнітної індукції з точністю до коефіцієнта, що дорівнює 1 в СГС і μ 0 в СІ. У магнетиках(магнітних середовищах) напруженість магнітного поля має фізичний сенс «зовнішнього» поля, тобто збігається (можливо, залежно від прийнятих одиниць виміру, з точністю до постійного коефіцієнта, як наприклад у системі СІ, що загального сенсу не змінює) з таким вектором магнітної індукції, яка «була б, якщо магнетика не було». Наприклад, якщо поле створюється котушкою зі струмом, в яку вставлений залізний сердечник, то напруженість магнітного поля H всередині сердечника збігається (у СГСточно, а СІ — з точністю до постійного розмірного коефіцієнта) з вектором B 0 , який був би створений цією котушкою за відсутності сердечника і який в принципі може бути розрахований виходячи з геометрії котушки і струму в ній, без будь-якої додаткової інформації про матеріал сердечника та його магнітні властивості. При цьому треба мати на увазі, що фундаментальнішою характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції. B . Саме він визначає силу дії магнітного поля на заряджені частинки і струми, що рухаються, а також може бути безпосередньо виміряний, у той час як напруженість магнітного поля H можна розглядати швидше як допоміжну величину (хоча розрахувати її, принаймні, у статичному випадку, простіше, в чому полягає її цінність: адже H створюють так звані вільні струми, які порівняно легко безпосередньо виміряти, а важко виміряні пов'язані струми- тобто струми молекулярні і т. П. - Враховувати не треба). Щоправда, зазвичай використовуваний вираз для енергії магнітного поля (в середовищі) B і H входять майже рівноправно, але треба мати на увазі, що в цю енергію включено і енергію, витрачену на поляризацію середовища, а не тільки енергію власне поля. Енергія магнітного поля як такого виражається лише через фундаментальне B . Проте видно, що величина H феноменологічно і дуже зручна. Види магнетиків Діамагнетики мають магнітну проникність трохи менше 1. Відрізняються тим, що виштовхуються з магнітного поля. Парамагнетикимають магнітну проникність трохи більше 1. Переважна кількість матеріалів є діа-і пара-магнетиками. Феромагнетикимають виключно велику магнітну проникність, що доходить до мільйона. У міру посилення поля проявляється явище гістерезису, коли при збільшенні напруженості та при подальшому зменшенні напруженості значення (Н) не збігаються один з одним. У літературі розрізняють кілька визначень магнітної проникності. Початкова магнітна проникність m н- значення магнітної проникності при малій напруженості поля. Максимальна магнітна проникність m max- максимальне значення магнітної проникності, яке досягається зазвичай у середніх магнітних полях. З інших основних термінів, що характеризують магнітні матеріали, зазначимо такі. Намагніченість насичення- максимальна намагніченість, що досягається у сильних полях, коли всі магнітні моменти доменів орієнтовані вздовж магнітного поля. Петля гістерези- Залежність індукції від напруженості магнітного поля при зміні поля за циклом: підйом до певного значення - зменшення, перехід через нуль, після досягнення того ж значення зі зворотним знаком - зростання і т.п. Максимальна петля гістерези- досягає максимальної намагніченості насичення. Залишкова індукція B ост- Індукція магнітного поля на зворотному ході петлі гістерези при нульовій напруженості магнітного поля. Коерцитивна сила Н с- Напруженість поля на зворотному ході петлі гістерези при якій досягається нульова індукція. Магнітні моменти атомів Магнітний момент Елементарні частинки мають внутрішню квантовомеханічну властивість відому як спин. Воно аналогічно кутовому моменту об'єкта, що обертається навколо власного центру мас, хоча строго кажучи, ці частинки є точковими і не можна говорити про їхнє обертання. Спин вимірюють в одиницях наведеної планківської постійної (), тоді електрони, протони і нейтрони мають рівний спін ½ . В атомі електрони обертаються навколо ядра і мають орбітальний кутовий момент крім спина, тоді як ядро ​​саме по собі має кутовий момент завдяки ядерному спину. Магнітне поле, створюване магнітним моментом атома, визначається цими різними формами кутового моменту, як і в класичній фізиці заряджені об'єкти, що обертаються, створюють магнітне поле. Однак найбільш значний внесок походить від спини. Завдяки властивості електрона, як і всіх ферміонів, підкорятися правилу заборони Паулі, за яким два електрони не можуть перебувати в тому самому квантовому стані, пов'язані електрони спаровуються один з одним, і один з електронів знаходиться в стані зі спином вгору, а інший - з протилежною проекцією спина - стан зі спином униз. Таким чином, магнітні моменти електронів скорочуються, зменшуючи повний магнітний дипольний момент системи до нуля в деяких атомах з парним числом електронів. У феромагнітних елементах, таких як залізо, непарне число електронів призводить до появи неспареного електрона і до повного ненульового магнітного моменту. Орбіталі сусідніх атомів перекриваються, і найменший енергетичний стан досягається, коли всі спини неспарених електронів приймають одну орієнтацію, відомий як обмінне взаємодія. Коли магнітні моменти феромагнітних атомів вирівнюються, матеріал може створювати макроскопічне магнітне поле, що вимірюється. Парамагнітні матеріали складаються з атомів, магнітні моменти яких розорієнтовані без магнітного поля, але магнітні моменти окремих атомів вирівнюються при додатку магнітного поля. Ядро атома теж може мати ненульовий повний спин. Зазвичай при термодинамічній рівновазі спини ядер орієнтовані випадковим чином. Однак, для деяких елементів (таких як ксенон-129) можливо поляризувати значну частину ядерних спинів для створення стану зі спрямованими спинами стану званого гіперполяризацією. Цей стан має важливе прикладне значення магнітно-резонансної томографії. Магнітне поле має енергію. Подібно до того, як у зарядженому конденсаторі є запас електричної енергії, в котушці, по витках якої протікає струм, є запас магнітної енергії. Якщо включити електричну лампу паралельно до котушки з великою індуктивністю в електричний ланцюг постійного струму, то при розмиканні ключа спостерігається короткочасний спалах лампи. Струм у ланцюзі виникає під дією ЕРС самоіндукції. Джерелом енергії, що виділяється при цьому в електричному ланцюзі, є магнітне поле котушки. Енергія W м магнітного поля котушки з індуктивністю L, створюваного струмом I, дорівнює W м = LI 2/2

Прилади та приладдя:лабораторна установка з соленоїдом, джерело живлення, мілівольтметр, амперметр.

Коротка теорія

Соленоїдомназивається циліндрична котушка, що містить велике число витків дроту, по якому йде струм. Якщо крок гвинтової лінії провідника, що утворює котушку, малий, то кожен виток із струмом можна розглядати як окремий круговий струм, а соленоїд - як систему послідовно з'єднаних кругових струмів однакового радіусу, що мають спільну вісь.

Магнітне поле всередині соленоїда можна як суму магнітних полів, створюваних кожним витком. Вектор індукції магнітного поля всередині соленоїда перпендикулярний до площини витків, тобто. спрямований по осі соленоїда і утворює з напрямком кільцевих струмів витків правовинтову систему. Орієнтовна картина силових ліній магнітного поля соленоїда показана на рис. 1. Силові лінії магнітного поля замкнуті.

На рис, 2 показано переріз соленоїда довжиною L і з числом витків N і радіусом поперечного перерізу R. Гуртки з точками позначають переріз витків котушки, по яких йде струм I , спрямований від креслення на нас, а кружки з хрестиками - перерізи витків, в яких Струм спрямований за креслення. Число витків на одиницю довжини соленоїда позначимо.

Індукція магнітного поля в точці А, розташованої на осі соленоїда, визначається шляхом інтегрування магнітних полів, створюваних кожним витком, і дорівнює

, (1)

де і - кути, що утворюються з віссю соленоїда радіус-векторами і проведеними з точки А до крайніх витків соленоїда, -магнітна проникність середовища, магнітна стала.

Таким чином, магнітна індукція прямо пропорційна силі струму, магнітної проникності середовища, що заповнює соленоїд, і числу витків на одиницю довжини. Магнітна індукція також залежить від положення точки А щодо кінців соленоїду. Розглянемо кілька окремих випадків:

1. Нехай точка А знаходиться в центрі соленоїда, тоді , і . Якщо соленоїд досить довгий, то і 2)

2. Нехай точка A знаходиться в центрі крайнього витка, тоді , і . Якщо соленоїд досить довгий, то і (3)

З формул (2) і (3) видно, що магнітна індукція соленоїда з його краю вдвічі менше проти її величиною у центрі.

3. Якщо довжина соленоїда в багато разів більша за радіус його витків
("нескінченно" довгий соленоїд), то для всіх точок, що лежать усередині
соленоїда на його осі, можна покласти . Тоді
поле можна вважати в центральній частині соленоїда однорідним та розраховувати його за формулою

Однорідність магнітного поля порушується поблизу країв соленоїда. У цьому випадку індукцію можна визначати за формулою

де k - Коефіцієнт, що враховує неоднорідність поля.

Експериментальне вивчення магнітного поля соленоїда у цій роботі здійснюється за допомогою спеціального зонда - маленької котушки, укріпленої всередині штока з масштабною лінійкою. Вісь котушки збігається з віссю соленоїда, котушка підключається до мілівольтметра змінного струму, вхідний опір якого набагато більший за опір котушки-зонда. Якщо через соленоїд йде змінний струм стандартної частоти ( =50 Гц), то всередині соленоїда і його краях індукція змінного магнітного поля змінюється за законом (див. (5)):

Амплітуда магнітної індукції у цій формулі залежить від положення точки всередині соленоїда. Якщо помістити в соленоїд котушку-зонд, то відповідно до закону електромагнітної індукції, в ній виникає ЕРС індукції:

, (6)

де N 1 - число витків в котушці, S - площа поперечного перерізу котушки, Ф - магнітний потік (, тому що вісь котушки збігається з віссю соленоїда і, отже, вектор магнітної індукції перпендикулярний площині поперечного перерізу котушки.).

Оскільки величина індукції B змінюється згідно із законом , , то з (6) виходить формула для розрахунку ЕРС:

З виразу (7) видно, що амплітуда ЕРС залежить від . Таким чином, вимірюючи амплітуду ЕРС, можна визначити:

Коефіцієнт k враховує неоднорідність магнітного поля соленоїда на краях, можна визначити, за формулою. (5), знаючи і :

(9)

де - Амплітуда змінного струму, що йде через соленоїд.

З формул (7) і (9) випливає, що амплітуда ЕРС індукції прямо пропорційна амплітуді змінного струму:

Включені в ланцюг змінного струму амперметр і мілівольтметр вимірюють значення струму, що діють, і ЕРС , які пов'язані з амплітудами і співвідношеннями:

Для діючих значень струму та ЕРС формула (10) має вигляд

(11)

З формули (11) випливає, що відношення пропорційно коефіцієнту K неоднорідності індукції магнітного поля в точці соленоїда, де проводять вимірювання

(12)

де А – коефіцієнт пропорційності.

У цій роботі потрібно виконати два завдання: 1) визначити розподіл індукції вздовж осі соленоїда при деякому постійному значенні струму; 2) визначити значення коефіцієнта до.

Техніка безпеки:

1. Не підключають/ самостійно джерело живлення та мілівольтметр до мережі 220 В.

2. Не проводити перемикання ланцюгів, що знаходяться під напругою.

Не торкатися неізольованих частин ланцюгів.

3. Не залишати без нагляду увімкнену схему.

Порядок виконання роботи

Завдання №1.Дослідження розподілу індукції магнітного поля вздовж осі соленоїда.

1. Зібрати вимірювальний ланцюг за схемою, наведеною на рис. 3. Для цього в ланцюг соленоїда включити джерело живлення і амперметр, а до висновків котушки - зонда - мілівольтметр (для вимірювання) змінного струму = 50 Гц, Число витків на одиницю довжини соленоїда n = 2400 1/м

1-лабораторний стенд Z - шток «

2-котушка-зонд

3- соленоїд
5-амперметр

6 джерело живлення з регулятором вихідної напруги (струму), 7 мілівольтметр.

2. Встановити шток із масштабною лінійкою так, щоб котушка-зонд виявилася приблизно в середині соленоїда.

3.Включити джерело живлення соленоїда і встановити струм соленоїда (по амперметру), що дорівнює =25мА. Включити мілівольтметр і після прогріву (5 хв) зняти показання.

4.Переміщаючи шток з масштабною лінійною, виміряти за допомогою
мілівольтметра чинне значення ЕРС індукції через кожен
сантиметр положення лінійки. За формулою (8) обчислити .
Результати вимірювань та розрахунків занести до таблиці 1 (врахуйте, що ).

Магнітне поле соленоїда є суперпозицією окремих полів, які створюються кожним витком окремо. Через всі витки протікає той самий струм. Осі всіх витків лежать на одній лінії. Соленоїд є котушкою індуктивності, що має циліндричну форму. Ця котушка намотана з провідного дроту. При цьому витки укладені щільно один до одного і мають один напрямок. При цьому вважається, що довжина котушки значно перевищує діаметр витків.

Давайте розглянемо магнітну індукцію, створювану кожним витком. Видно, що індукція всередині кожного витка спрямована в ту саму сторону. Якщо дивитися в центр витка, то індукція від країв складатиметься. При цьому індукція магнітного поля між двома сусідніми витками спрямована зустрічно. Так як вона створена одним і тим же струмом вона компенсується.

Малюнок 1 — Поле створюване окремими витками соленоїда

Якщо витки соленоїда намотані досить щільно, між усіма витками зустрічне поле буде компенсовано, а всередині витків відбудеться складання окремих поле в одне загальне. Лінії цього поля проходитимуть усередині соленоїда і охоплюватимуть його зовні.

Якщо досліджувати магнітне поле всередині соленоїда будь-якими способами, наприклад, за допомогою залізної тирси то можна зробити висновок, що воно однорідне. Ліні магнітного поля у цій галузі є паралельні прямі. Мало того, що вони паралельні самі собі, але вони ще паралельні осі соленоїда. Виходячи за межі соленоїда, вони викривляються і замикаються зовні котушки.

Малюнок 2 — Поле, створене соленоїдом.

З малюнка видно, що поле, що створюється соленоїдом, схоже на поле, яке створює постійний стрижневий магніт. На одному кінці силові лінії виходять із соленоїда і цей кінець аналогічний північному полюсу постійного магніту. А до іншої вони входять, і цей кінець відповідає південному полюсу. Відмінність полягає в тому, що поле присутнє і всередині соленоїда. І якщо провести досвід із залізною тирсою, то вони втягнуться в простір між витками.

Але якщо всередину соленоїда вставити дерев'яний сердечник або осердя з будь-якого іншого немагнітного матеріалу, то при проведенні експерименту з металевою стружкою картина поля постійного магніту і соленоїда буде ідентична. Так як дерев'яний сердечник не спотворить силові лінії, але при цьому не дасть проникнути тирсі всередину котушки.

Малюнок 3 - Картина поля постійного стрижневого магніту

Для визначення полюсів соленоїда можна використовувати кілька способів. Наприклад, найпростіший, використовувати магнітну стрілку. Вона притягнеться до протилежного полюса магніту. Якщо ж відомий напрямок струму у витку полюси можна визначити за допомогою правила правого гвинта. Якщо обертати головку правого гвинта у напрямку струму, поступальний рух вкаже напрямок поля в соленоїді. А знаючи, що поле спрямоване від північного полюса до південного і можна визначити де який полюс знаходиться.

Соленоїд - довга, тонка котушка, тобто котушка, довжина якої набагато більша, ніж її діаметр (також у подальших викладках тут мається на увазі, що товщина обмотки набагато менша, ніж діаметр котушки). За цих умов і без використання магнітного матеріалу густина магнітного потоку всередині котушки є фактично постійною і (наближено) дорівнює

де − магнітна постійна, − число витків, − струм і − довжина котушки. Нехтуючи крайовими ефектами на кінцях соленоїда, отримаємо, що потокозчеплення через котушку дорівнює щільності потоку, помноженому на площу поперечного перерізу і число витків:

Звідси випливає формула для індуктивності соленоїда (без осердя):

Якщо котушка всередині повністю заповнена магнітним матеріалом (сердечником), то індуктивність відрізняється на множник - відносну магнітну проникність осердя:

У випадку, коли , можна (слід) під Sрозуміти площу перерізу сердечника і користуватися цією формулою навіть при товстій намотуванні, якщо повна площа перерізу котушки не перевищує площі перерізу сердечника в багато разів.

Точніші формули для соленоїда кінцевого розміру

Для одношарового (з дуже тонким намотуванням) соленоїда кінцевих розмірів (не нескінченно довгого) існують більш точні, хоча і складніші формули:

Кількість витків,

Радіус циліндра,

Довжина його утворює,

Еліптичні інтеграли.

Трансформатори. Енергія магнітного поля. Основи теорії Максвелла. Рівняння Максвелла в інтегральній формі.

Електричний коливальний контур. Загасні електромагнітні коливання. Вимушені електромагнітні коливання. Явище резонансу

Коливальний контур- осцилятор, що є електричним ланцюгом, що містить з'єднані котушку індуктивності і конденсатор. У такому ланцюзі можуть збуджуватися коливання струму (і напруги).

Коливальний контур - найпростіша система, в якій можуть відбуватися вільні електромагнітні коливання

Резонансна частота контуру визначається так званою формулою Томсона:

Принцип дії

Нехай конденсатор ємністю Cзаряджений до напруги. Енергія, запасена в конденсаторі складає

При з'єднанні конденсатора з котушкою індуктивності в ланцюгу потече струм, що викличе в котушці електрорушійну силу (ЕРС) самоіндукції, спрямовану на зменшення струму в ланцюгу. Струм, викликаний цією ЕРС (за відсутності втрат в індуктивності) в початковий момент дорівнюватиме струму розряду конденсатора, тобто результуючий струм дорівнюватиме нулю. Магнітна енергія котушки у цей (початковий) момент дорівнює нулю.

Потім результуючий струм у ланцюзі зростатиме, а енергія з конденсатора переходитиме в котушку до розряду конденсатора. У цей момент електрична енергія конденсатора. Магнітна енергія, зосереджена в котушці, навпаки, максимальна і дорівнює

Де – індуктивність котушки, – максимальне значення струму.

Після цього почнеться перезаряджання конденсатора, тобто заряд конденсатора напругою іншої полярності. Перезаряджання буде проходити доти, доки магнітна енергія котушки не перейде в електричну енергію конденсатора. Конденсатор у цьому випадку знову буде заряджений до напруги.

В результаті в ланцюзі виникають коливання, тривалість яких буде обернено пропорційна втрат енергії в контурі.

Загалом, описані вище процеси в паралельному коливальному контурі називаються резонанс струмів, що означає, що через індуктивність і ємність протікають струми, більше струму, що проходить через весь контур, причому ці струми більше певну кількість разів, яке називається добротністю. Ці великі струми не залишають меж контуру, оскільки вони протифазні і компенсують. Варто також зауважити, що опір паралельного коливального контуру на резонансній частоті прагне нескінченності (на відміну від послідовного коливального контуру, опір якого на резонансній частоті прагне нуля), а це робить його незамінним фільтром.

Крім простого коливального контуру, є ще коливальні контури першого, другого і третього роду, що враховують втрати і мають інші особливості.

Вимушеними електромагнітними коливанняминазивають періодичні зміни сили струму та напруги в електричному ланцюзі, що відбуваються під дією змінної ЕРС від зовнішнього джерела. Зовнішнім джерелом ЕРС електричних ланцюгах є генератори змінного струму, що працюють на електростанціях.

Принцип дії генератора змінного струму легко показати при розгляді рамки проводу, що обертається, в магнітному полі.

У однорідне магнітне поле з індукцією поміщаємо прямокутну рамку, утворену провідниками (abсd).

Нехай площина рамки перпендикулярна індукції магнітного поля та її площа дорівнює S.

Магнітний потік у момент часу t 0 = 0 дорівнюватиме Ф = В*8.

При рівномірному обертанні рамки навколо осі OO 1 з кутовою швидкістю w магнітний потік, що пронизує рамку, змінюватиметься з часом за законом:

Зміна магнітного потоку збуджує в рамці ЕРС індукцію, що дорівнює

де Е 0 = ВSw – амплітуда ЕРС.

Якщо за допомогою контактних кілець і щіток, що ковзають по них, з'єднати кінці рамки з електричним ланцюгом, то під дією ЕРС індукції, що змінюється з часом за гармонічним законом, в електричному ланцюгу виникнуть вимушені гармонічні коливання сили струму - змінний струм.

На практиці синусоїдальна ЕРС збуджується не шляхом обертання рамки в магнітному полі, а шляхом обертання магніту або електромагніту (ротора) усередині статора - нерухомих обмоток, навитих на сердечники з магнітом'якого матеріалу. У цих обмотках знаходиться змінна ЕРС, що дозволяє уникнути зняття напруги за допомогою контактних кілець.

Явище резонансу відноситься до найважливіших з практичної точки зору властивостей електричних кіл. Воно полягає в тому, що електричний ланцюг, що має реактивні елементи, має суто резистивний опір..

Загальна умова резонансу для будь-якого двополюсника можна сформулювати як Im[ Z]=0 або Im[ Y]=0, де Zі Yкомплексний опір та провідність двополюсника. Отже, режим резонансу повністю визначається параметрами електричного кола і залежить від зовнішнього на неї із боку джерел електричної енергії.

Соленоїдомназивається провідник, звитий спіраллю, яким пропущений електричний струм (рисунок 1, а).

Якщо подумки розрізати витки соленоїда впоперек, позначити напрямок струму в них, як було зазначено вище, і визначити напрямок магнітних індукційних ліній за "правилом буравчика", то магнітне поле всього соленоїда матиме такий вигляд, як показано на малюнку 1, б.

Малюнок 1. Соленоїд ( а) та його магнітне поле ( б)

Малюнок 2. Комп'ютерна модель соленоїда

На осі нескінченно довгого соленоїда, на кожній одиниці довжини якого намотано n 0 витків, напруженість магнітного поля всередині соленоїда визначається формулою:

H = I × n 0 .

Там, де магнітні лінії входять у соленоїд, утворюється південний полюс, де вони виходять - північний полюс.

Для визначення полюсів соленоїда користуються "правилом буравчика", застосовуючи його наступним чином: якщо розташувати буравчик вздовж осі соленоїда і обертати його у напрямку струму у витках котушки соленоїда, поступальний рух буравчика покаже напрям магнітного поля (рисунок 3).

Відео про соленоїд:

Електромагніт

Соленоїд, всередині якого знаходиться сталевий (залізний) сердечник, називається електромагнітом(Малюнок 4 і 5). Магнітне поле у ​​електромагніту сильніше, ніж у соленоїда, оскільки шматок сталі, вкладений у соленоїд, намагнічується і результуюче магнітне поле посилюється. Полюси у електромагніта можна визначити, так само як і у соленоїда, за "правилом буравчика".

Малюнок 5. Котушка електромагніту

Електромагніти широко застосовують у техніці. Вони служать для створення магнітного поля в електричних генераторах і двигунах, електровимірювальних приладах, електричних апаратах тощо.

В установках великої потужності для відключення пошкодженої ділянки ланцюга замість плавких запобіжників застосовують автоматичні, масляні та повітряні вимикачі. Для приведення в дію котушок автоматичних вимикачів, що відключають, застосовуються різні реле. Реле називаються прилади чи автомати, реагують зміну струму, напруги, потужності, частоти та інших параметрів.

З великої кількості реле, різних за своїм призначенням, принципом дії та конструкції, коротко розглянемо пристрій електромагнітних реле. На малюнку 6 представлені конструкції цих реле. Робота реле заснована на взаємодії магнітного поля, створюваного нерухомою котушкою, якою проходить струм, і сталевого рухомого якоря електромагніта. При зміні умов роботи в ланцюзі головного струму котушка реле збуджується, магнітний потік сердечника підтягує (повертає або втягує) якір, який замикає контакти ланцюга, котушки, що відключає приводу масляних і повітряних вимикачів або допоміжних реле.

Малюнок 6. Електромагнітне реле

Реле знайшли собі застосування також у автоматиці та телемеханіці.

Магнітний потік соленоїда (електромагніту) збільшується зі збільшенням числа витків та струму в ньому. Намагнічує сила залежить від добутку струму на число витків (числа ампер-витків).

Якщо, наприклад, взяти соленоїд, по обмотці якого проходить струм 5 А і число витків якого дорівнює 150, число ампер-витків буде 5 × 150 = 750. Той же магнітний потік вийде якщо взяти 1500 витків і пропустити по них струм 0,5 А, оскільки 0,5 × 1500 = 750 ампер-витків.

Збільшити магнітний потік соленоїда можна такими шляхами: 1) вкласти в соленоїд сталевий сердечник, перетворивши його на електромагніт; 2) збільшити переріз сталевого осердя електромагніту (оскільки при даних струмі, напруженості магнітного поля, і, отже, магнітної індукції збільшення перерізу веде до зростання магнітного потоку); 3) зменшити повітряний зазор сердечника електромагніта (оскільки при зменшенні шляху магнітних ліній повітрям зменшується магнітний опір).

Відео про електромагніт: