Solenoid - thiết kế, vận hành, ứng dụng. Các phương án điều khiển điện từ tối ưu nhất

điện từ gọi là cuộn dây hình trụ, các vòng dây được quấn chặt theo một hướng và chiều dài của cuộn dây lớn hơn đáng kể so với bán kính của vòng dây.

Từ trường của một cuộn dây điện từ có thể được biểu diễn bằng kết quả của việc cộng các trường được tạo ra bởi một số dòng điện tròn có một trục chung. Hình 3 cho thấy bên trong cuộn dây, các đường cảm ứng từ của mỗi vòng dây riêng lẻ có cùng hướng, còn giữa các vòng dây liền kề chúng có hướng ngược nhau.

Do đó, với cuộn dây điện từ đủ dày đặc, các phần cảm ứng từ của các vòng dây liền kề có hướng ngược nhau sẽ bị triệt tiêu lẫn nhau, và các phần có hướng bằng nhau sẽ hợp nhất thành một đường cảm ứng từ chung đi vào bên trong đế và bao bọc nó từ bên ngoài. . Nghiên cứu lĩnh vực này bằng mùn cưa cho thấy, bên trong nam châm điện có từ trường đều, các đường sức từ là những đường thẳng song song với trục của nam châm, phân kỳ ở hai đầu và khép kín bên ngoài nam châm (Hình 4).

Có thể dễ dàng nhận thấy sự giống nhau giữa từ trường của cuộn dây điện (bên ngoài nó) và từ trường của một thanh nam châm vĩnh cửu (Hình 5). Đầu cuối của cuộn dây từ đó có đường sức từ đi ra giống cực bắc của nam châm N, đầu kia của cuộn dây mà các đường sức từ đi vào giống như cực nam của nam châm S.

Các cực của một điện từ mang dòng điện có thể được xác định dễ dàng bằng thực nghiệm bằng cách sử dụng kim nam châm. Biết chiều dòng điện trong vòng, có thể xác định được các cực này bằng quy tắc vít phải: ta quay đầu vít phải theo dòng điện trong vòng, sau đó chuyển động về phía trướcđầu vít sẽ chỉ hướng từ trườngđiện từ, và do đó nó Cực Bắc. Mô đun cảm ứng từ bên trong cuộn dây điện từ một lớp được tính theo công thức

B = μμ 0 NI l = μμ 0 nl,

Ở đâu Ν - số vòng dây điện từ, TÔI- chiều dài điện từ, N- số vòng trên một đơn vị chiều dài của cuộn dây.

Từ hóa của nam châm. Vector từ hóa.

Nếu dòng điện chạy qua dây dẫn thì xung quanh dây dẫn sẽ tạo ra một MF. Cho đến nay chúng ta đã nghiên cứu các dây dẫn có dòng điện chạy trong chân không. Nếu dây mang dòng điện ở trong một môi trường nào đó thì mp. những thay đổi. Điều này được giải thích là do dưới ảnh hưởng của m.p. bất kỳ chất nào cũng có khả năng thu được mô men từ hoặc bị từ hóa (chất đó trở thành từ tính). Các chất bị từ hóa trong mp bên ngoài. ngược với hướng của trường được gọi là vật liệu nghịch từ. Những chất có từ tính yếu trong từ trường ngoài. theo hướng của trường được gọi là vật liệu thuận từ Chất từ ​​hóa tạo ra từ trường. - , đây là mp chồng lên m.p., do dòng điện gây ra - . Khi đó trường kết quả là: . (54.1) Trường thực (vi mô) trong nam châm thay đổi rất nhiều trong khoảng cách giữa các phân tử. - trường vĩ mô trung bình. Để giải thích từ hóa vật thể Ampere cho rằng các dòng điện tròn cực nhỏ lưu thông trong các phân tử của một chất, gây ra bởi sự chuyển động của các electron trong nguyên tử và phân tử. Mỗi dòng điện như vậy có mô men từ và tạo ra từ trường trong không gian xung quanh. Nếu không có trường bên ngoài thì dòng điện phân tử được định hướng ngẫu nhiên và trường thu được do chúng tạo ra bằng 0. Từ hóa là một đại lượng vectơ bằng mô men từ của một đơn vị thể tích của nam châm: , (54.3) ở đâu là một thể tích vô cùng nhỏ được lấy trong vùng lân cận của điểm đang được xem xét; - mô men từ của từng phân tử. Việc tính tổng được thực hiện trên tất cả các phân tử có trong thể tích (hãy nhớ ở đâu, - sự phân cực chất điện môi, - phần tử lưỡng cực ). Từ hóa có thể được biểu diễn như sau: Dòng điện từ hóa I". Từ hóa của một chất gắn liền với sự định hướng ưu tiên của các mô men từ của từng phân tử theo một hướng. Dòng điện tròn cơ bản liên kết với mỗi phân tử được gọi là phân tử. Dòng phân tử hóa ra là có định hướng, tức là xuất hiện dòng điện từ hóa - . Dòng điện chạy qua dây dẫn do sự chuyển động của các hạt mang điện trong chất gọi là dòng điện dẫn -. Đối với một electron chuyển động theo quỹ đạo tròn theo chiều kim đồng hồ; dòng điện có chiều ngược chiều kim đồng hồ và theo quy tắc của vít bên phải, hướng thẳng đứng lên trên. Sự tuần hoàn của vectơ từ hóa theo bất kỳ vòng khép kín tương đương với tổng đại số dòng điện từ hóa chạy qua mạch G. Dạng vi phân viết định lý tuần hoàn véc tơ. Cường độ từ trường (ký hiệu tiêu chuẩn N) — vectơ đại lượng vật lý, bằng độ lệch của vectơ cảm ứng từ B và vectơ từ hóa M. Trong SI: Ở đâu - hằng số từ. Trong trường hợp đơn giản nhất, đẳng hướng (theo tính hấp dẫn) môi trường và trong sự xấp xỉ tần số thay đổi trường đủ thấp B Và H đơn giản là tỷ lệ với nhau, khác nhau đơn giản bởi một hệ số số (tùy thuộc vào môi trường) B = μ H trong hệ thống GHS hoặc B = μ 0 μ H trong hệ thống SI(cm. Tính thấm từ, cũng thấy Độ nhạy từ). Trong hệ thống GHS cường độ từ trường được đo bằng Oerstedach(E), trong hệ SI - tính bằng ampe trên mét(Là). Trong công nghệ, oersted đang dần được thay thế bằng đơn vị SI - ampe trên mét. 1 E = 1000/(4π) A/m ≈ 79,5775 A/m. 1 A/m = 4π/1000 Oe ≈ 0,01256637 Oe. Ý nghĩa vật lý Trong chân không (hoặc trong trường hợp không có môi trường có khả năng phân cực từ, cũng như trong trường hợp môi trường này không đáng kể), cường độ từ trường trùng với vectơ cảm ứng từ cho đến hệ số bằng 1 trong CGS và μ 0 trong SI. TRONG nam châm(môi trường từ tính) cường độ từ trường có ý nghĩa vật lý trường "bên ngoài", nghĩa là nó trùng khớp (có lẽ, tùy thuộc vào đơn vị đo lường được chấp nhận, trong phạm vi hệ số không đổi, chẳng hạn như trong hệ SI, không thay đổi ý nghĩa chung) với vectơ cảm ứng từ như “điều đó sẽ xảy ra nếu không có nam châm”. Ví dụ, nếu từ trường được tạo ra bởi một cuộn dây mang dòng điện có lõi sắt được lắp vào thì cường độ từ trường H bên trong lõi trùng nhau (ở GHS chính xác và trong SI - có hệ số thứ nguyên không đổi) với vectơ B 0, sẽ được tạo ra bởi cuộn dây này khi không có lõi và về nguyên tắc, có thể được tính toán dựa trên hình dạng của cuộn dây và dòng điện trong nó mà không cần bất kỳ thông tin thêm về vật liệu lõi và tính chất từ ​​của nó. Cần lưu ý rằng một đặc tính cơ bản hơn của từ trường là vectơ cảm ứng từ B . Chính ông là người xác định cường độ từ trường lên các hạt và dòng điện chuyển động và cũng có thể đo trực tiếp, trong khi cường độ từ trường H có thể được coi là một đại lượng phụ trợ (mặc dù việc tính toán nó dễ dàng hơn, ít nhất là trong trường hợp tĩnh, đó là giá trị của nó: xét cho cùng thì H tạo ra cái gọi là dòng điện tự do, tương đối dễ đo trực tiếp, trong khi những thứ khó đo dòng điện liên quan- tức là dòng điện phân tử, v.v. - không cần tính đến). Đúng, biểu thức thường được sử dụng cho năng lượng từ trường (trong môi trường) B Và H đi vào gần như bằng nhau, nhưng chúng ta phải nhớ rằng năng lượng này cũng bao gồm năng lượng tiêu hao cho sự phân cực của môi trường chứ không chỉ năng lượng của chính trường. Năng lượng của từ trường như vậy chỉ được thể hiện thông qua cơ bản B . Tuy nhiên, rõ ràng là giá trị H về mặt hiện tượng học và ở đây nó rất thuận tiện. Các loại vật liệu từ tính Vật liệu nghịch từ có độ thấm từ nhỏ hơn 1 một chút. Chúng khác nhau ở chỗ chúng bị đẩy ra khỏi vùng của từ trường. Thuận từ có độ thấm từ lớn hơn 1 một chút. Phần lớn các vật liệu là nghịch từ và thuận từ. Sắt từ có độ thấm từ đặc biệt cao, lên tới một triệu. Khi trường tăng cường, hiện tượng trễ xuất hiện khi cường độ tăng và cường độ giảm sau đó, các giá trị của B(H) không trùng với nhau. Có một số định nghĩa về tính thấm từ trong tài liệu. Độ thấm từ ban đầu m n- giá trị độ thấm từ ở cường độ trường thấp. Độ thấm từ tối đa m max - gia trị lơn nhât tính thấm từ, thường đạt được trong từ trường trung bình. Trong số các thuật ngữ cơ bản khác đặc trưng vật liệu từ tính, chúng tôi lưu ý những điều sau đây. Sự từ hóa bão hòa- từ hóa tối đa đạt được trong lĩnh vực mạnh mẽ, khi tất cả khoảnh khắc từ tính miền được định hướng dọc theo từ trường. Vòng lặp trễ- sự phụ thuộc của cảm ứng vào cường độ từ trường khi từ trường thay đổi theo chu kỳ: tăng lên giá trị nhất định- giảm, chuyển qua số 0, sau khi đạt cùng giá trị với dấu ngược lại - tăng, v.v. Vòng trễ tối đa- đạt từ hóa bão hòa tối đa. Cảm ứng dư B nghỉ- bật cảm ứng từ trường đột quỵ ngược vòng trễ ở cường độ từ trường bằng không. Lực cưỡng bức N s- cường độ trường trên hành trình quay trở lại của vòng trễ tại đó đạt được cảm ứng bằng 0. Momen từ của nguyên tử Mô men từ Các hạt cơ bản có một tính chất cơ học lượng tử nội tại gọi là spin. Nó tương tự như mômen động lượng của một vật quay quanh tâm khối của chính nó, mặc dù nói đúng ra thì những hạt này là những hạt điểm và người ta không thể nói về chuyển động quay của chúng. Spin được đo bằng đơn vị của hằng số Planck rút gọn (), khi đó các electron, proton và neutron có spin bằng ½. Trong nguyên tử, các electron quay quanh hạt nhân và ngoài spin ra còn có xung lượng góc quỹ đạo, trong khi bản thân hạt nhân cũng có xung lượng góc do spin hạt nhân. Từ trường được tạo ra bởi mô men từ của nguyên tử được xác định bởi những nhiều mẫu khác nhau xung lượng góc, Như trong vật lý cổ điển Các vật nhiễm điện quay tạo ra từ trường. Tuy nhiên, đóng góp đáng kể nhất đến từ độ xoáy. Do tính chất của electron, giống như mọi fermion, tuân theo quy luật loại trừ Pauli, theo đó hai electron không thể ở cùng một trạng thái lượng tử, các electron liên kết với nhau và một trong hai electron ở trạng thái spin- trạng thái lên và trạng thái còn lại là spin-up với hình chiếu ngược lại của spin - trạng thái có spin-down. Do đó, mômen từ của các electron giảm đi, làm tổng mô men lưỡng cực từ của hệ giảm xuống bằng 0 ở một số nguyên tử có số chẵn electron. Trong các nguyên tố sắt từ như sắt, số lẻ electron dẫn đến sự xuất hiện của một electron chưa ghép cặp và dẫn đến tổng mômen từ khác không. Các quỹ đạo của các nguyên tử lân cận chồng lên nhau và quỹ đạo nhỏ nhất trạng thái năng lượngđạt được khi tất cả các vòng quay các electron chưa ghép cặpáp dụng cùng một định hướng, một quá trình được gọi là tương tác trao đổi. Khi mômen từ của các nguyên tử sắt từ thẳng hàng, vật liệu có thể tạo ra một từ trường vĩ mô có thể đo được. Vật liệu thuận từ bao gồm các nguyên tử có mô men từ bị định hướng sai khi không có từ trường, nhưng mômen từ của từng nguyên tử được xếp thẳng hàng khi đặt từ trường vào. Hạt nhân của một nguyên tử cũng có thể có tổng spin khác 0. Thông thường, ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học, các spin hạt nhân được định hướng ngẫu nhiên. Tuy nhiên, đối với một số nguyên tố (chẳng hạn như xenon-129), có thể phân cực một phần đáng kể các spin hạt nhân để tạo ra trạng thái đồng hướng spin, trạng thái gọi là siêu phân cực. Điều kiện này quan trọng giá trị áp dụng trong chụp ảnh cộng hưởng từ. Một từ trường có năng lượng. Giống như một tụ điện đã tích điện có một nguồn dự trữ năng lượng điện, trong cuộn dây có dòng điện chạy qua các vòng có một nguồn năng lượng từ dự trữ. Nếu nối một bóng đèn điện song song với một cuộn dây có độ tự cảm cao trong mạch điện dòng điện một chiều, sau đó khi mở chìa khóa sẽ thấy đèn nhấp nháy ngắn. Dòng điện trong mạch xuất hiện dưới tác dụng Emf tự gây ra. Nguồn năng lượng được giải phóng trong trường hợp này là mạch điện, là từ trường của cuộn dây. Năng lượng W m của từ trường của cuộn dây có độ tự cảm L tạo ra bởi dòng điện I bằng W m = LI 2 / 2

Thiết bị và phụ kiện: thiết lập phòng thí nghiệm với điện từ, nguồn điện, milivolt, ampe kế.

Lý thuyết tóm tắt

điện từ gọi là cuộn dây hình trụ có nhiều vòng dây cho dòng điện chạy qua. Nếu bước xoắn của dây dẫn tạo thành cuộn dây nhỏ thì mỗi vòng dây có dòng điện có thể được coi là một vòng riêng biệt. dòng điện tròn và điện từ - như một hệ gồm các dòng điện tròn mắc nối tiếp có cùng bán kính, có một trục chung.

Từ trường bên trong cuộn dây có thể được coi là tổng của từ trường được tạo ra bởi mỗi vòng quay. Vectơ cảm ứng từ trường bên trong cuộn dây vuông góc với mặt phẳng của các vòng dây, tức là được dẫn dọc theo trục của cuộn dây điện từ và tạo thành một hệ thống thuận tay phải với hướng của dòng điện vòng của các vòng dây. Hình ảnh gần đúng của đường sức từ của cuộn dây điện từ được thể hiện trên hình 2. 1. Đường sức từ đóng lại.

Hình 2 thể hiện mặt cắt ngang của một cuộn dây điện từ có chiều dài L và số vòng N và bán kính mặt cắt ngang R. Các vòng tròn có dấu chấm biểu thị các phần của cuộn dây mà dòng điện I chạy qua, hướng từ hình vẽ đến chúng ta, và các vòng tròn có dấu chéo biểu thị các phần vòng trong đó dòng điện hướng ra ngoài hình vẽ. Chúng tôi biểu thị số vòng trên một đơn vị chiều dài của điện từ.

Cảm ứng từ trường tại điểm A nằm trên trục của cuộn dây điện từ được xác định bằng tích phân các từ trường tạo ra trong mỗi vòng quay và bằng

, (1)

Trong đó và là các góc tạo thành với trục của điện từ bởi các vectơ bán kính và được vẽ từ điểm A đến các vòng ngoài của điện từ, là độ thấm từ của môi trường, hằng số từ tính.

Do đó, cảm ứng từ B tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện, độ thấm từ của môi trường làm đầy cuộn dây và số vòng trên một đơn vị chiều dài. Cảm ứng từ còn phụ thuộc vào vị trí của điểm A so với các đầu của cuộn dây. Hãy xem xét một số trường hợp đặc biệt:

1. Đặt điểm A ở tâm của cuộn dây điện, khi đó , Và . Nếu điện từ đủ dài thì và 2)

2. Đặt điểm A ở tâm của vòng quay ngoài cùng, khi đó , Và . Nếu cuộn dây điện từ đủ dài thì , và (3)

Từ các công thức (2) và (3), rõ ràng cảm ứng từ của cuộn dây ở cạnh của nó bằng một nửa giá trị của nó ở tâm.

3. Nếu chiều dài của cuộn dây lớn gấp nhiều lần bán kính vòng quay của nó
(một điện từ dài vô tận), khi đó với mọi điểm nằm bên trong
điện từ trên trục của nó, bạn có thể đặt . Sau đó
trường có thể được coi là đồng đều ở phần trung tâm của cuộn dây và được tính bằng công thức

Tính đồng nhất của từ trường bị phá vỡ ở gần các cạnh của cuộn dây điện từ. Trong trường hợp này, cảm ứng có thể được xác định bằng công thức

trong đó k là hệ số có tính đến tính không đồng nhất của trường.

Nghiên cứu thực nghiệm Từ trường của điện từ trong công việc này được thực hiện bằng cách sử dụng một đầu dò đặc biệt - một cuộn dây nhỏ được gắn bên trong một thanh có thước đo tỷ lệ. Trục của cuộn dây trùng với trục của cuộn dây, cuộn dây được nối với một mili vôn kế Dòng điện xoay chiều, điện trở đầu vào lớn hơn nhiều so với điện trở của cuộn dây đầu dò. Nếu có dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây tần số tiêu chuẩn (= 50 Hz), khi đó bên trong cuộn dây và ở các cạnh của nó, cảm ứng của từ trường xoay chiều thay đổi theo định luật (xem (5)):

Biên độ của cảm ứng từ trong công thức này phụ thuộc vào vị trí của điểm bên trong cuộn dây. Nếu bạn đặt một cuộn dây thăm dò vào cuộn dây điện từ thì theo quy định của pháp luật cảm ứng điện từ, nó phát sinh lực điện gây ra:

, (6)

Trong đó N 1 là số vòng dây trong cuộn dây, S là diện tích tiết diện của cuộn dây, F là từ thông (vì trục của cuộn dây trùng với trục của cuộn dây và do đó, từ trường vectơ cảm ứng vuông góc với mặt phẳng cắt ngang của cuộn dây.)

Vì độ lớn cảm ứng B thay đổi theo định luật , , thì từ (6) ta thu được công thức tính EMF:

Từ biểu thức (7) rõ ràng là biên độ của EMF phụ thuộc vào . Do đó, bằng cách đo biên độ của EMF, chúng ta có thể xác định:

Hệ số k, có tính đến tính không đồng nhất của từ trường của cuộn dây ở các cạnh, có thể được xác định bằng công thức. (5), biết và:

(9)

Biên độ của dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây là bao nhiêu.

Từ công thức (7) và (9), suy ra biên độ của suất điện động cảm ứng tỷ lệ thuận với biên độ của dòng điện xoay chiều:

Ampe kế và mili vôn kế nối với mạch điện xoay chiều đo giá trị hiệu dụng của dòng điện và lực điện động, liên quan đến biên độ và tỷ số:

Đối với các giá trị hiệu dụng của dòng điện và EMF, công thức (10) có dạng

(11)

Từ công thức (11), suy ra tỷ số này tỉ lệ với hệ số K của tính không đồng nhất của cảm ứng từ trường tại điểm của cuộn dây nơi thực hiện phép đo

(12)

trong đó A là hệ số tỷ lệ.

Trong công việc này, cần có hai nhiệm vụ: 1) xác định sự phân bố cảm ứng dọc theo trục của cuộn dây điện ở một giá trị dòng điện không đổi nhất định; 2) xác định giá trị của hệ số k.

Biện pháp phòng ngừa an toàn:

1. Không kết nối độc lập nguồn điện và mili vôn kế với mạng 220 V.

2. Không chuyển mạch trực tiếp.

Không chạm vào các phần không được cách điện của mạch điện.

3. Không để mạch điện đã bật mà không được giám sát.

Trình tự công việc

Nhiệm vụ số 1. Nghiên cứu sự phân bố cảm ứng từ trường dọc theo trục của cuộn dây điện từ.

1. Lắp ráp mạch đo theo sơ đồ ở hình 2. 3. Để thực hiện việc này, hãy kết nối nguồn điện và ampe kế với mạch điện từ và mili vôn kế với các cực của cuộn dây đầu dò (để đo). thông số sau: = 200 vòng, S = 2 * 10 -4 m 2, tần số dòng điện xoay chiều = 50 Hz, Số vòng trên một đơn vị chiều dài của cuộn dây n = 2400 1/m

1- Giá đỡ phòng thí nghiệm Z - que "

2- cuộn dây đầu dò

3- điện từ
5 ampe kế

6 - nguồn điện có bộ điều chỉnh điện áp (dòng điện) đầu ra, 7 - miliv kế.

2. Lắp thanh đo bằng thước đo sao cho cuộn dây đầu dò nằm ở giữa cuộn dây điện từ.

3. Bật nguồn điện điện từ và đặt dòng điện điện từ (theo ampe kế) bằng = 25 mA. Bật milivolt kế và sau khi khởi động (5 phút) đọc kết quả.

4. Di chuyển thanh bằng thang đo tuyến tính, đo bằng
giá trị hiệu dụng của milivôn kế của suất điện động cảm ứng qua mỗi
centimet của vị trí thước kẻ. Sử dụng công thức (8) tính .
Nhập kết quả đo, tính toán vào bảng 1 (lưu ý ).

Từ trường của cuộn dây điện từ là sự chồng chất của các trường riêng lẻ được tạo ra bởi mỗi vòng quay riêng lẻ. Dòng điện giống nhau chạy qua tất cả các vòng. Các trục của tất cả các vòng đều nằm trên cùng một đường thẳng. Cuộn dây điện từ là một cuộn dây cảm ứng có dạng hình trụ. Cuộn dây này được quấn từ dây dẫn điện. Trong trường hợp này, các ngã rẽ được đặt chặt chẽ với nhau và có cùng hướng. Trong trường hợp này, người ta tin rằng chiều dài của cuộn dây vượt quá đáng kể đường kính của các vòng dây.

Chúng ta hãy xem cảm ứng từ được tạo ra bởi mỗi lượt. Có thể thấy cảm ứng bên trong mỗi vòng quay đều có chiều như nhau. Nếu bạn nhìn vào tâm của cuộn dây, thì cảm ứng từ các cạnh của nó sẽ cộng lại. Trong trường hợp này, cảm ứng từ trường giữa hai vòng liền kề có hướng ngược nhau. Vì nó được tạo ra bởi cùng một dòng điện nên nó được bù.

Hình 1 - Trường được tạo ra bởi từng vòng dây điện từ

Nếu các vòng dây điện từ được quấn đủ chặt thì giữa tất cả các vòng dây, trường phản ứng sẽ được bù và bên trong các vòng dây, các trường riêng lẻ sẽ được thêm vào một trường chung. Các dòng của trường này sẽ đi vào bên trong cuộn điện từ và bao phủ nó ra bên ngoài.

Nếu bạn kiểm tra từ trường bên trong cuộn dây bằng bất kỳ phương tiện nào, chẳng hạn như sử dụng mạt sắt, bạn có thể kết luận rằng nó là đồng nhất. Các đường sức từ trong vùng này là các đường thẳng song song. Chúng không chỉ song song với chính mình mà còn song song với trục của cuộn dây điện từ. Vượt ra ngoài các lối đi của cuộn dây điện từ, chúng uốn cong và đóng lại bên ngoài cuộn dây.

Hình 2 - Trường được tạo bởi điện từ

Từ hình vẽ có thể thấy rằng trường do cuộn dây điện từ tạo ra giống với trường do một thanh nam châm vĩnh cửu tạo ra. Ở một đầu đường dây điệnđi ra khỏi cuộn dây và đầu này giống với cực bắc Nam châm vĩnh cửu. Và họ đi vào đầu kia, và đầu này tương ứng với cực nam. Sự khác biệt là trường cũng có mặt bên trong cuộn dây điện từ. Và nếu bạn tiến hành một thí nghiệm với mạt sắt, chúng sẽ bị hút vào khoảng trống giữa các lượt.

Nhưng nếu một lõi gỗ hoặc một lõi làm bằng bất kỳ vật liệu không từ tính nào khác được đưa vào bên trong đế, thì khi tiến hành thí nghiệm với mạt sắt, dạng trường của nam châm vĩnh cửu và đế điện sẽ giống hệt nhau. Vì lõi gỗ sẽ không làm biến dạng đường dây điện nhưng cũng không để mùn cưa lọt vào bên trong cuộn dây.

Hình 3 - Hình ảnh từ trường của một thanh nam châm vĩnh cửu

Một số phương pháp có thể được sử dụng để xác định các cực điện từ. Ví dụ, cách đơn giản nhất là sử dụng kim từ tính. Nó sẽ bị hút vào cực đối diện của nam châm. Nếu biết chiều dòng điện trong cuộn dây thì có thể xác định các cực bằng quy tắc vít bên phải. Nếu bạn xoay đầu vít bên phải theo hướng dòng điện, chuyển động tịnh tiến sẽ chỉ ra hướng của từ trường trong cuộn dây điện từ. Và biết rằng trường hướng từ cực Bắc xuống phía Nam, bạn có thể xác định được cực nào nằm ở đó.

Cuộn dây điện từ là một cuộn dây dài và mỏng, nghĩa là một cuộn dây có chiều dài lớn hơn nhiều so với đường kính của nó (cũng trong các tính toán sâu hơn ở đây người ta ngụ ý rằng độ dày của cuộn dây nhỏ hơn nhiều so với đường kính của cuộn dây). Trong những điều kiện này và không sử dụng vật liệu từ tính, mật độ từ thông bên trong cuộn dây hầu như không đổi và (xấp xỉ) bằng

trong đó là hằng số từ, là số vòng dây, là cường độ dòng điện và là chiều dài của cuộn dây. Bỏ qua hiệu ứng cạnh ở hai đầu của cuộn dây, ta thấy liên kết từ thông qua cuộn dây bằng mật độ từ thông nhân với diện tích tiết diện và số vòng dây:

Từ đó tuân theo công thức tính độ tự cảm của điện từ (không có lõi):

Nếu cuộn dây bên trong chứa đầy vật liệu từ tính (lõi), thì độ tự cảm sẽ khác nhau một hệ số - độ thấm từ tương đối của lõi:

Trong trường hợp , bạn có thể (nên) theo S hiểu diện tích mặt cắt ngang của lõi và sử dụng công thức này ngay cả với cuộn dây dày, trừ khi toàn bộ khu vực Diện tích mặt cắt ngang của cuộn dây không vượt quá diện tích mặt cắt ngang của lõi nhiều lần.

Công thức chính xác hơn cho một điện từ có kích thước hữu hạn

Đối với một điện từ một lớp (vết thương rất mỏng) có kích thước hữu hạn (không dài vô hạn), có độ chính xác cao hơn, mặc dù nhiều hơn công thức phức tạp :

Số lượt,

Bán kính xi lanh,

Chiều dài của đường sinh của nó,

Tích phân elip.

Máy biến áp.

Năng lượng từ trường. Cơ sở lý thuyết của Maxwell. Phương trình Maxwell ở dạng tích phân. Điện mạch dao động

. Dao động điện từ tắt dần. Dao động điện từ cưỡng bức. Hiện tượng cộng hưởng Mạch dao động

- một bộ dao động, là một mạch điện có chứa một cuộn cảm và tụ điện được kết nối. Trong mạch như vậy, sự dao động của dòng điện (và điện áp) có thể bị kích thích. Mạch dao động - hệ thống đơn giản nhất

, trong đó dao động điện từ tự do có thể xảy ra

Tần số cộng hưởng của mạch được xác định theo công thức Thomson:

Nguyên lý hoạt động Cho tụ điện có điện dung C

nạp vào điện áp. Năng lượng tích trữ trong tụ điện là Khi tụ điện mắc vào cuộn dây tự cảm, dòng điện sẽ chạy trong mạch sẽ tạo ra một suất điện động (EMF) tự cảm trong cuộn dây, nhằm mục đích làm giảm dòng điện trong mạch. Dòng điện do EMF này gây ra (trong trường hợp không có tổn hao điện cảm) tại thời điểm ban đầu sẽ là sự phóng điện của tụ điện, nghĩa là dòng điện thu được sẽ bằng không. Năng lượng từ của cuộn dây tại thời điểm (ban đầu) này bằng không.

Khi đó dòng điện trong mạch sẽ tăng lên và năng lượng từ tụ điện sẽ truyền vào cuộn dây cho đến khi tụ điện phóng điện hoàn toàn. Lúc này năng lượng điện của tụ điện. Ngược lại, năng lượng từ tập trung trong cuộn dây có giá trị lớn nhất và bằng

Độ tự cảm của cuộn dây là giá trị dòng điện lớn nhất.

Sau đó, quá trình sạc lại tụ điện sẽ bắt đầu, nghĩa là sạc tụ điện bằng điện áp có cực tính khác. Quá trình sạc sẽ tiếp tục cho đến khi năng lượng từ của cuộn dây được chuyển thành năng lượng điện của tụ điện. Trong trường hợp này, tụ điện sẽ lại được tích điện đến điện áp.

Kết quả là xảy ra dao động trong mạch, khoảng thời gian dao động sẽ tỷ lệ nghịch với tổn thất năng lượng trong mạch.

Nói chung, các quá trình được mô tả ở trên trong mạch dao động song song được gọi là cộng hưởng dòng điện, có nghĩa là dòng điện chạy qua điện cảm và điện dung, lớn hơn dòng điện đi qua toàn bộ mạch và những dòng điện này lớn hơn một số lần nhất định, được gọi là yếu tố chất lượng. Những dòng điện lớn này không rời khỏi mạch vì chúng lệch pha và tự bù. Cũng cần lưu ý rằng điện trở của mạch dao động song song ở tần số cộng hưởng có xu hướng vô cùng (ngược lại với mạch dao động nối tiếp, điện trở của mạch có xu hướng bằng 0 ở tần số cộng hưởng) và điều này làm cho nó trở thành bộ lọc không thể thiếu.

Điều đáng chú ý là ngoài mạch dao động đơn giản, còn có các mạch dao động loại một, loại hai và loại ba, có tính đến tổn thất và có các tính năng khác.

Dao động điện từ cưỡng bứcđược gọi là sự thay đổi tuần hoàn của dòng điện và điện áp trong mạch điện xảy ra dưới tác dụng của lực điện động xoay chiều từ nguồn bên ngoài. Nguồn EMF bên ngoài trong mạch điện là các máy phát điện xoay chiều hoạt động tại các nhà máy điện.

Nguyên lý hoạt động của máy phát điện xoay chiều có thể dễ dàng chứng minh bằng cách khảo sát một khung dây quay trong từ trường.

Trong từ trường đều có cảm ứng B, ta đặt một khung hình chữ nhật được tạo bởi các dây dẫn (abсd).

Cho mặt phẳng khung vuông góc với cảm ứng từ trường B và diện tích của nó bằng S.

Từ thông tại thời điểm t 0 = 0 sẽ bằng Ф = В*8.

Khi khung quay đều quanh trục OO 1 với vận tốc góc w thì từ thông xuyên qua khung sẽ thay đổi theo thời gian theo định luật:

Sự thay đổi từ thông sẽ kích thích một cảm ứng trong khung EMF bằng

trong đó E 0 = BSw là biên độ của EMF.

Nếu sử dụng vòng trượt và chổi trượt dọc theo chúng, các đầu của khung được nối với mạch điện, thì dưới tác dụng của emf cảm ứng, thay đổi theo thời gian theo định luật điều hòa, sẽ phát sinh dao động điều hòa cưỡng bức có cường độ dòng điện trong mạch điện - Dòng điện xoay chiều.

Trong thực tế, EMF hình sin được kích thích không phải bằng cách quay khung trong từ trường mà bằng cách quay một nam châm hoặc nam châm điện (rôto) bên trong stato - cuộn dây tĩnh quấn trên lõi làm bằng vật liệu từ tính mềm. Có một EMF xen kẽ trong các cuộn dây này, giúp tránh việc loại bỏ điện áp bằng cách sử dụng vòng trượt.

Hiện tượng cộng hưởng đề cập đến các tính chất quan trọng nhất của mạch điện theo quan điểm thực tế. Nó nằm ở chỗ mạch điện chứa phần tử phản kháng chỉ có điện trở.

Điều kiện cộng hưởng chung đối với bất kỳ mạng hai đầu cuối nào cũng có thể được xây dựng dưới dạng Im[ Z]=0 hoặc Im[ Y]=0, ở đâu Z Và Yđiện trở và độ dẫn phức tạp của mạng hai cực. Do đó, chế độ cộng hưởng hoàn toàn được xác định bởi các thông số của mạch điện và không phụ thuộc vào ảnh hưởng bên ngoài trên nó từ các nguồn năng lượng điện.

điện từ gọi là dây dẫn xoắn theo hình xoắn ốc được truyền qua điện(bức tranh 1, MỘT).

Nếu bạn nhẩm cắt các vòng dây của cuộn dây điện, chỉ định hướng của dòng điện trong chúng, như đã chỉ ra ở trên, và xác định hướng của các đường cảm ứng từ theo “quy tắc gimlet”, thì từ trường của toàn bộ cuộn dây điện từ sẽ có dạng như Hình 1, b.

Hình 1. Điện từ ( MỘT) và từ trường của nó ( b)

Hình 2. Model máy tínhđiện từ

Trên trục của một cuộn dây điện từ dài vô hạn, trên mỗi đơn vị chiều dài của nó được quấn N 0 vòng, cường độ từ trường bên trong cuộn dây được xác định theo công thức:

H = TÔI × N 0 .

Tại điểm mà các đường sức từ đi vào cuộn dây điện từ, một cực Nam, nơi chúng xuất hiện là Bắc Cực.

Để xác định các cực của cuộn dây điện từ, người ta sử dụng “quy tắc gimlet”, áp dụng như sau: nếu đặt miếng gimlet dọc theo trục của cuộn dây điện từ và quay nó theo chiều dòng điện trong các vòng của cuộn dây điện từ thì chuyển động tịnh tiến của gimlet sẽ thể hiện hướng của từ trường (Hình 3).

Video về điện từ:

Nam châm điện

Một cuộn dây điện có lõi thép (sắt) bên trong được gọi là nam châm điện(Hình 4 và 5). Từ trường của nam châm điện mạnh hơn từ trường của nam châm điện vì một miếng thép đưa vào nam châm điện bị từ hóa và từ trường sinh ra được tăng cường. Các cực của nam châm điện có thể được xác định, giống như cực của nam châm điện, bằng cách sử dụng “quy tắc gimlet”.

Hình 5. Cuộn dây nam châm điện

Nam châm điện được sử dụng rộng rãi trong công nghệ. Chúng được sử dụng để tạo ra từ trường trong máy phát điện và động cơ điện, trong các dụng cụ đo điện, thiết bị điện và những thứ tương tự.

Trong các hệ thống lắp đặt công suất cao, thay vì cầu chì, các bộ ngắt mạch tự động, dầu và không khí được sử dụng để ngắt kết nối phần mạch bị hỏng. Nhiều loại rơle khác nhau được sử dụng để kích hoạt cuộn dây ngắt của máy cắt. Rơle là thiết bị hoặc máy móc phản ứng với những thay đổi về dòng điện, điện áp, công suất, tần số và các thông số khác.

Từ số lượng lớn rơle, khác nhau về mục đích, nguyên lý hoạt động và thiết kế, chúng ta hãy xem xét ngắn gọn về thiết kế của rơle điện từ. Hình 6 cho thấy thiết kế của các rơle này. Hoạt động của rơle dựa trên sự tương tác của từ trường được tạo ra bởi một cuộn dây đứng yên có dòng điện chạy qua và phần ứng chuyển động bằng thép của nam châm điện. Khi điều kiện làm việc trong mạch điện chính thay đổi, cuộn dây rơle bị kích thích, từ thông của lõi kéo (quay hoặc rút lại) phần ứng, làm đóng các tiếp điểm của mạch điện, cuộn dây tác động của bộ dẫn động dầu và khí. hoặc rơle phụ trợ.

Hình 6. Rơle điện từ

Rơle cũng đã tìm thấy ứng dụng trong tự động hóa và cơ điện tử.

Từ thông của một cuộn dây điện từ (nam châm điện) tăng theo số vòng dây và dòng điện trong nó. Lực từ hóa phụ thuộc vào tích của dòng điện và số vòng dây (số ampe vòng).

Ví dụ, nếu chúng ta lấy một cuộn dây điện từ có cuộn dây mang dòng điện 5 A và số vòng của nó là 150 thì số ampe vòng sẽ là 5 × 150 = 750. Từ thông tương tự sẽ thu được nếu chúng ta đi 1500 vòng và truyền một dòng điện 0,5 chạy qua chúng. À, vì 0,5 × 1500 = 750 ampe vòng.

Từ thông của cuộn dây điện từ có thể được tăng lên theo những cách sau: 1) lắp lõi thép vào cuộn dây điện từ, biến nó thành nam châm điện; 2) tăng tiết diện lõi thép của nam châm điện (vì với cường độ dòng điện, từ trường và do đó cảm ứng từ, việc tăng tiết diện dẫn đến tăng từ thông); 3) giảm khe hở không khí của lõi nam châm điện (vì khi giảm khoảng cách đường sức từđiện trở từ giảm trong không khí).

Video về nam châm điện: