Elektromagnete sind das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule. Möglichkeiten, die magnetischen Kräfte einer Spule zu beeinflussen Die Spule mit dem größten Magnetfeld hat

Von größtem praktischen Interesse ist das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule. Abbildung 97 zeigt eine Spule bestehend aus große Zahl Drahtwindungen, die auf einen Holzrahmen gewickelt sind. Wenn Strom in die Spule fließt, werden Eisenspäne von ihren Enden angezogen; wenn der Strom abgeschaltet wird, fallen sie ab.

Reis. 97. Anziehung von Eisenspänen durch eine Stromspule

Wenn eine Spule mit Strom an dünnen und flexiblen Leitern aufgehängt wird, wird sie wie die Magnetnadel eines Kompasses installiert. Ein Ende der Spule zeigt nach Norden, das andere Ende nach Süden. Das bedeutet, dass eine Spule mit Strom, wie eine Magnetnadel, zwei Pole hat – Nord und Süd (Abb. 98).

Reis. 98. Aktuelle Spulenpole

Um die stromdurchflossene Spule herrscht ein Magnetfeld. Es kann wie das Gleichstromfeld mit Sägemehl nachgewiesen werden (Abb. 99). Auch die magnetischen Linien des Magnetfeldes einer stromdurchflossenen Spule sind geschlossene Kurven. Es ist allgemein anerkannt, dass sie von außerhalb der Spule weg gerichtet sind Nordpol Spulen nach Süden (siehe Abb. 99).

Reis. 99. Magnetische Linien einer Stromspule

Stromdurchflossene Spulen werden in der Technik häufig als Magnete eingesetzt. Sie sind praktisch, weil sie magnetische Wirkung kann in weiten Grenzen verändert (gestärkt oder abgeschwächt) werden. Schauen wir uns an, wie Sie dies tun können.

Abbildung 97 zeigt ein Experiment, bei dem die Wirkung des Magnetfeldes einer Spule mit Strom beobachtet wird. Wenn Sie die Spule durch eine andere mit mehr Drahtwindungen ersetzen, zieht sie bei gleicher Stromstärke mehr Eisengegenstände an. Bedeutet, Die magnetische Wirkung einer stromdurchflossenen Spule ist stärker größere Zahl dreht sich darin.

Schließen wir einen Rheostat an den Stromkreis mit der Spule an (Abb. 100) und ändern damit die Stromstärke in der Spule. Mit zunehmendem Strom nimmt die Wirkung des Magnetfeldes der Stromspule zu, mit abnehmendem Strom schwächt sie sich ab..

Reis. 100. Wirkung des Magnetfeldes einer Spule

Es zeigt sich auch, dass die magnetische Wirkung einer stromdurchflossenen Spule deutlich gesteigert werden kann, ohne dass sich die Anzahl ihrer Windungen oder die Stärke des Stroms in ihr ändert. Dazu müssen Sie einen Eisenstab (Kern) in die Spule einführen. Das in die Spule eingebrachte Eisen verstärkt die magnetische Wirkung der Spule(Abb. 101).

Reis. 101. Wirkung des Magnetfeldes einer Spule mit Eisenkern

Eine Spule mit einem Eisenkern im Inneren wird Elektromagnet genannt.

Ein Elektromagnet ist einer der Hauptbestandteile vieler technischer Geräte. Abbildung 102 zeigt einen bogenförmigen Elektromagneten, der einen Anker (Eisenplatte) mit einer schwebenden Last hält.

Reis. 102. Bogenförmiger Elektromagnet

Elektromagnete werden aufgrund ihrer bemerkenswerten Eigenschaften häufig in der Technik eingesetzt. Sie entmagnetisieren sich schnell, wenn der Strom abgeschaltet wird; je nach Verwendungszweck können sie in verschiedenen Größen hergestellt werden; während der Elektromagnet in Betrieb ist, kann seine magnetische Wirkung durch Änderung der Stromstärke in der Spule angepasst werden.

Elektromagnete mit großer Hubkraft werden in Fabriken zum Transport von Produkten aus Stahl oder Gusseisen sowie von Stahl- und Gussspänen und -barren eingesetzt (Abb. 103).

Reis. 103. Anwendung von Elektromagneten

Abbildung 104 zeigt einen Querschnitt eines magnetischen Kornabscheiders. Dem Korn werden sehr feine Eisenspäne beigemischt. Diese Sägespäne haften nicht an den glatten Körnern gesunder Körner, wohl aber an den Körnern von Unkraut. Körner 1 werden aus dem Trichter auf eine rotierende Trommel 2 geschüttet. Im Inneren der Trommel befindet sich ein starker Elektromagnet 5. Durch die Anziehung von Eisenpartikeln 4 entfernt er Unkrautkörner aus dem Getreidestrom 3 und reinigt so das Getreide von Unkraut und Unkräutern gefangene Eisengegenstände.

Reis. 104. Magnetabscheider

Elektromagnete werden in Telegrafen, Telefonen und vielen anderen Geräten verwendet.

Fragen

In welcher Richtung ist eine stromdurchflossene Spule, die an langen, dünnen Leitern hängt, installiert? Welche Ähnlichkeiten gibt es mit einer Magnetnadel?
Wie kann die magnetische Wirkung einer stromdurchflossenen Spule verstärkt werden?
Wie heißt ein Elektromagnet?
Für welche Zwecke werden Elektromagnete in Fabriken eingesetzt?
Wie funktioniert ein magnetischer Kornabscheider?

Übung 41

Es ist notwendig, einen Elektromagneten zu bauen, dessen Hubkraft ohne Änderung der Konstruktion eingestellt werden kann. Wie kann man das machen?
Was muss getan werden, um sich zu ändern? magnetische Pole Spulen mit entgegengesetztem Strom?
Wie baut man einen starken Elektromagneten, wenn man dem Konstrukteur die Bedingung gibt, dass der Strom im Elektromagneten relativ klein sein muss?
Die im Kran verwendeten Elektromagnete haben eine enorme Kraft. Die Elektromagnete, mit denen Eisenspäne aus den Augen entfernt werden, sind sehr schwach. Auf welche Weise wird dieser Unterschied erreicht?

Übung

Ein von elektrischem Strom durchflossener Leiter erzeugt ein Magnetfeld, das durch einen Spannungsvektor gekennzeichnet ist „H(Abb. 3). Die magnetische Feldstärke folgt dem Prinzip der Superposition

und nach dem Biot-Savart-Laplace-Gesetz,

Wo ICH– Stromstärke im Leiter, – Vektor mit der Länge eines Elementarsegments des Leiters und in Richtung des Stroms gerichtet, `r– Radiusvektor, der das Element mit dem betreffenden Punkt verbindet P.

Eine der häufigsten Konfigurationen stromführender Leiter ist eine Spule in Form eines Rings mit dem Radius R (Abb. 3, a). Das Magnetfeld eines solchen Stroms in einer durch die Symmetrieachse verlaufenden Ebene hat die Form (siehe Abb. 3, b). Das Feld als Ganzes muss rotationssymmetrisch zur z-Achse sein (Abb. 3, b) und die Feldlinien selbst müssen symmetrisch zur Schleifenebene (Ebene) sein xy). Das Feld in unmittelbarer Nähe des Leiters ähnelt dem Feld in der Nähe eines langen geraden Drahtes, da hier der Einfluss der entfernten Teile der Schleife relativ gering ist. Auf der Achse des Kreisstroms ist das Feld entlang der Achse gerichtet Z.

Berechnen wir die magnetische Feldstärke auf der Ringachse an einem Punkt im Abstand z von der Ringebene. Mit Formel (6) genügt es, die z-Komponente des Vektors zu berechnen:

. (7)

Durch Integration über den gesamten Ring erhalten wir òd l= 2p R. Denn nach dem Satz des Pythagoras R 2 = R 2 + z 2 , dann ist das erforderliche Feld an einem Punkt auf der Achse gleich groß

. (8)

Vektorrichtung „H kann nach der richtigen Schraubenregel ausgerichtet werden.

In der Mitte des Rings z= 0 und Formel (8) vereinfacht:

Wir sind interessiert an kurze Rolle– eine zylindrische Drahtspule bestehend aus N Windungen mit gleichem Radius. Aufgrund der Achsensymmetrie und gemäß dem Superpositionsprinzip ist das Magnetfeld einer solchen Spule auf der H-Achse die algebraische Summe der Felder einzelner Windungen H ich: . Somit enthält das Magnetfeld eine kurze Spule N k Umdrehungen, an einem beliebigen Punkt auf der Achse wird anhand der Formeln berechnet

, , (10)

Wo H- Spannung, B– Magnetfeldinduktion.

Magnetfeld einer Magnetspule mit Strom

Zur Berechnung der Magnetfeldinduktion im Elektromagneten wird der Satz über die Zirkulation des magnetischen Induktionsvektors verwendet:

, (11)

Wo - algebraische Summe vom Stromkreis abgedeckte Ströme L freie Form, N– die Anzahl der Leiter mit Strömen, die vom Stromkreis abgedeckt werden. In diesem Fall wird jeder Strom so oft berücksichtigt, wie er vom Stromkreis zurückgelegt wird, und ein Strom wird als positiv betrachtet, dessen Richtung mit der Durchquerungsrichtung entlang des Stromkreises ein rechtsdrehendes System bildet - ein Schaltungselement L.

Wenden wir den Satz über die Zirkulation des magnetischen Induktionsvektors auf einen Elektromagneten der Länge an l haben N mit Kurven mit Stromstärke ICH(Abb. 4). Bei der Berechnung berücksichtigen wir, dass fast das gesamte Feld im Inneren des Magneten konzentriert ist (Randeffekte vernachlässigen wir) und gleichmäßig ist. Dann nimmt Formel 11 die Form an:

Daraus ergibt sich die Magnetfeldinduktion, die durch den Strom im Inneren des Magneten erzeugt wird:

Reis. 4. Magnetspule mit Strom und seinem Magnetfeld

Installationsdiagramm

Reis. 5 Schematisches elektrisches Diagramm der Installation

1 – Magnetfeld-Induktionsmessgerät (Teslameter), A – Amperemeter, 2 – Verbindungsdraht, 3 – Messsonde, 4 – Hall-Sensor*, 5 – Untersuchungsobjekt (kurze Spule, gerader Leiter, Magnetspule), 6 – Stromquelle, 7 – Lineal zur Fixierung der Position des Sensors, 8 – Sondenhalter.

* – Das Funktionsprinzip des Sensors basiert auf dem Phänomen des Hall-Effekts (siehe Laborarbeit Nr. 15 Untersuchung des Hall-Effekts)

Arbeitsauftrag

1. Untersuchung des Magnetfeldes einer kurzen Spule

1.1. Schalten Sie die Geräte ein. Die Stromversorgungs- und Teslameter-Schalter befinden sich auf der Rückseite.

1.2. Bauen Sie als Untersuchungsobjekt 5 (siehe Abb. 5) eine kurze Spule in den Halter ein und schließen Sie sie an die Stromquelle 6 an.

1.3. Stellen Sie den Spannungsregler an Quelle 6 auf die mittlere Position. Stellen Sie die Stromstärke auf Null ein, indem Sie den Stromausgang an Quelle 6 anpassen und mit einem Amperemeter überwachen (der Wert sollte Null sein).

1.4. Verwenden Sie die Grobeinstellung 1 und die Feineinstellung 2 (Abb. 6), um Nullwerte auf dem Teslameter zu erreichen.

1.5. Platzieren Sie den Halter mit der Messsonde auf dem Lineal in einer zum Ablesen geeigneten Position – zum Beispiel auf der Koordinate 300 mm. Nehmen Sie diese Position in Zukunft als Null ein. Achten Sie bei der Installation und bei Messungen auf die Parallelität zwischen Sonde und Lineal.

1.6. Positionieren Sie den Halter mit einer kurzen Spule so, dass sich der Hallsensor 4 in der Mitte der Spulenwindungen befindet (Abb. 7). Hierzu nutzen Sie die höhenverstellbare Klemmschraube am Messlanzenhalter. Die Ebene der Spule muss senkrecht zur Sonde stehen. Bewegen Sie während der Messvorbereitung den Halter mit der Messprobe und lassen Sie die Messsonde unbewegt.

1.7. Stellen Sie sicher, dass die Messwerte des Teslameters beim Aufwärmen Null bleiben. Wenn dies nicht der Fall ist, stellen Sie das Teslameter bei Nullstrom in der Probe auf Nullwerte ein.

1.8. Stellen Sie den Strom in der kurzen Spule auf 5 A ein (durch Anpassen der Leistung am Netzteil 6, Constanter/Netzgerät Universal).

1.9. Magnetische Induktion messen B exp auf der Spulenachse abhängig vom Abstand zur Spulenmitte. Bewegen Sie dazu den Messsondenhalter entlang des Lineals und behalten Sie dabei die Parallelität zur ursprünglichen Position bei. Negative Werte z entspricht einer Verschiebung der Sonde in einen Bereich mit kleineren Koordinaten als dem ursprünglichen und umgekehrt – positive Werte von z – im Bereich mit großen Koordinaten. Tragen Sie die Daten in Tabelle 1 ein.

Tabelle 1 Abhängigkeit der magnetischen Induktion auf der Achse einer kurzen Spule vom Abstand zur Spulenmitte

1.10. Wiederholen Sie die Punkte 1.2 – 1.7.

1.11. Messen Sie die Abhängigkeit der Induktion in der Mitte der Windung vom Strom, der durch die Spule fließt. Tragen Sie die Daten in Tabelle 2 ein.

Tabelle 2 Abhängigkeit der magnetischen Induktion in der Mitte einer kurzen Spule von der Stromstärke darin

2. Untersuchung des Magnetfeldes des Magneten

2.1. Als Testobjekt 5 installieren Sie den Magneten auf einer höhenverstellbaren Metallbank aus nichtmagnetischem Material (Abb. 8).

2.2. Wiederholen Sie 1.3 – 1.5.

2.3. Stellen Sie die Höhe der Bank so ein, dass die Messsonde entlang der Symmetrieachse des Magneten verläuft und sich der Hall-Sensor in der Mitte der Magnetwindungen befindet.

2.4. Wiederholen Sie die Schritte 1.7 – 1.11 (hier wird ein Magnet anstelle einer kurzen Spule verwendet). Tragen Sie die Daten jeweils in die Tabellen 3 und 4 ein. Bestimmen Sie in diesem Fall die Koordinate der Magnetmitte wie folgt: Installieren Sie den Hall-Sensor am Anfang des Magneten und fixieren Sie die Koordinate des Halters. Bewegen Sie dann den Halter entlang des Lineals entlang der Achse des Magnetventils, bis sich das Ende des Sensors auf der anderen Seite des Magnetventils befindet. Fixieren Sie die Koordinate des Halters in dieser Position. Die Koordinate des Magnetmittelpunkts entspricht dem arithmetischen Mittel der beiden gemessenen Koordinaten.

Tabelle 3 Abhängigkeit der magnetischen Induktion auf der Achse des Elektromagneten vom Abstand zu seinem Mittelpunkt.

2.5. Wiederholen Sie die Punkte 1.3 – 1.7.

2.6. Messen Sie die Abhängigkeit der Induktion in der Mitte des Magneten vom Strom, der durch die Spule fließt. Tragen Sie die Daten in Tabelle 4 ein.

Tabelle 4 Abhängigkeit der magnetischen Induktion in der Mitte des Elektromagneten von der Stromstärke darin

3. Untersuchung des Magnetfeldes eines geraden Leiters mit Strom

3.1. Installieren Sie als Untersuchungsobjekt 5 einen geraden Stromleiter (Abb. 9, a). Verbinden Sie dazu die vom Amperemeter und der Stromquelle kommenden Drähte miteinander (schließen Sie den externen Stromkreis kurz) und platzieren Sie den Leiter direkt am Rand der Sonde 3 am Sensor 4, senkrecht zur Sonde (Abb. 9, B). Zur Abstützung des Leiters verwenden Sie auf der einen Seite der Sonde eine höhenverstellbare Metallbank aus nichtmagnetischem Material und auf der anderen Seite eine Halterung für die Prüflinge (für mehr kann in eine der Halterungsbuchsen eine Leiterklemme gesteckt werden). zuverlässige Fixierung dieses Leiters). Geben Sie dem Leiter eine gerade Form.

3.2. Wiederholen Sie die Punkte 1.3 – 1.5.

3.3. Bestimmen Sie die Abhängigkeit der magnetischen Induktion von der Stromstärke im Leiter. Tragen Sie die gemessenen Daten in Tabelle 5 ein.

Tabelle 5 Abhängigkeit der magnetischen Induktion, die von einem geraden Leiter erzeugt wird, von der Stromstärke darin

4. Bestimmung der Parameter der untersuchten Objekte

4.1. Bestimmen (ggf. messen) und tragen Sie in Tabelle 6 die für die Berechnungen notwendigen Daten ein: N zu– Anzahl der Windungen einer kurzen Spule, R– sein Radius; N s– Anzahl der Magnetwindungen, l– seine Länge, L– seine Induktivität (auf dem Magneten angegeben), D– sein Durchmesser.

Tabelle 6 Parameter der untersuchten Proben

N Zu	R	N Mit	D	l	L

Verarbeitung der Ergebnisse

1. Berechnen Sie mithilfe der Formel (10) die magnetische Induktion, die von einer kurzen Spule mit Strom erzeugt wird. Tragen Sie die Daten in die Tabellen 1 und 2 ein. Konstruieren Sie basierend auf den Daten in Tabelle 1 eine theoretische und experimentelle Abhängigkeit der magnetischen Induktion auf der Achse einer kurzen Spule vom Abstand z zum Mittelpunkt der Spule. Konstruieren Sie theoretische und experimentelle Abhängigkeiten in denselben Koordinatenachsen.

2. Konstruieren Sie basierend auf den Daten in Tabelle 2 eine theoretische und experimentelle Abhängigkeit der magnetischen Induktion im Zentrum einer kurzen Spule von der Stromstärke darin. Konstruieren Sie theoretische und experimentelle Abhängigkeiten in denselben Koordinatenachsen. Berechnen Sie mithilfe der Formel (10) die magnetische Feldstärke in der Mitte der Spule, wenn der Strom darin 5 A beträgt.

3. Berechnen Sie mithilfe der Formel (12) die vom Magneten erzeugte magnetische Induktion. Tragen Sie die Daten in die Tabellen 3 und 4 ein. Konstruieren Sie basierend auf den Daten in Tabelle 3 eine theoretische und experimentelle Abhängigkeit der magnetischen Induktion auf der Achse des Elektromagneten vom Abstand z zu seinem Mittelpunkt. Konstruieren Sie theoretische und experimentelle Abhängigkeiten in denselben Koordinatenachsen.

4. Konstruieren Sie basierend auf den Daten in Tabelle 4 eine theoretische und experimentelle Abhängigkeit der magnetischen Induktion in der Mitte des Elektromagneten von der Stromstärke darin. Konstruieren Sie theoretische und experimentelle Abhängigkeiten in denselben Koordinatenachsen. Berechnen Sie die magnetische Feldstärke in der Mitte des Magneten, wenn der Strom darin 5 A beträgt.

5. Konstruieren Sie basierend auf den Daten in Tabelle 5 eine experimentelle Abhängigkeit der vom Leiter erzeugten magnetischen Induktion von der Stromstärke darin.

6. Bestimmen Sie anhand der Formel (5). kürzeste Distanz R o vom Sensor zum stromdurchflossenen Leiter (dieser Abstand wird durch die Dicke der Leiterisolierung und die Dicke der Sensorisolierung in der Sonde bestimmt). Tragen Sie die Berechnungsergebnisse in Tabelle 5 ein. Berechnen Sie den arithmetischen Mittelwert R o, mit einem visuell beobachteten Wert vergleichen.

7. Berechnen Sie die Induktivität des Magneten L. Tragen Sie die Berechnungsergebnisse in Tabelle 4 ein. Vergleichen Sie den resultierenden Durchschnittswert L mit einem festen Induktivitätswert in Tabelle 6. Verwenden Sie zur Berechnung die Formel, wobei Y– Flussverknüpfung, Y = N mit BS, Wo IN– magnetische Induktion im Magneten (gemäß Tabelle 4), S= S D 2/4 – Querschnittsfläche des Magneten.

Kontrollfragen

1. Was ist das Biot-Savart-Laplace-Gesetz und wie wird es bei der Berechnung der Magnetfelder stromdurchflossener Leiter angewendet?

2. Wie die Richtung des Vektors bestimmt wird H im Biot-Savart-Laplace-Gesetz?

3. Wie sind die magnetischen Induktionsvektoren miteinander verbunden? B und Spannung H untereinander? Was sind ihre Maßeinheiten?

4. Wie wird das Biot-Savart-Laplace-Gesetz bei der Berechnung von Magnetfeldern verwendet?

5. Wie wird das Magnetfeld in dieser Arbeit gemessen? Auf welchem physikalisches Phänomen basierend auf dem Prinzip der Magnetfeldmessung?

6. Induktivität definieren, magnetischer Fluss, Flussverknüpfung. Geben Sie die Maßeinheiten für diese Mengen an.

Literaturverzeichnis

Bildungsliteratur

1. Kalaschnikow N.P. Grundlagen der Physik. M.: Bustard, 2004. T. 1

2. Savelyev I.V.. Physikkurs. M.: Nauka, 1998. T. 2.

3. Detlaf A.A.,Yavorsky B.M. Physikkurs. M.: Handelshochschule, 2000.

4. Irodov I.E. Elektromagnetismus. M.: Binom, 2006.

5. Yavorsky B.M.,Detlaf A.A. Handbuch der Physik. M.: Nauka, 1998.

Erzeugt ein Magnetfeld um sich herum. Ein Mensch wäre nicht er selbst, wenn er nicht herausgefunden hätte, wie er eine so wunderbare Eigenschaft des Stroms nutzen kann. Basierend auf diesem Phänomen schuf der Mensch Elektromagnete.

Ihre Anwendung ist sehr weit verbreitet und allgegenwärtig moderne Welt. Das Besondere an Elektromagneten ist, dass sie im Gegensatz zu Permanentmagneten je nach Bedarf ein- und ausgeschaltet werden können und die Stärke des Magnetfelds um sie herum verändert werden kann. Wie werden sie verwendet? magnetische Eigenschaften aktuell? Wie werden Elektromagnete hergestellt und verwendet?

Magnetfeld einer Stromspule

Durch Experimente konnte herausgefunden werden, dass das Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Leiter verstärkt werden kann, wenn der Draht spiralförmig aufgewickelt wird. Es stellt sich heraus, dass es sich um eine Art Spule handelt. Das Magnetfeld einer solchen Spule ist viel größer als das Magnetfeld eines einzelnen Leiters.

Darüber hinaus verlaufen die magnetischen Feldlinien der stromdurchflossenen Spule ähnlich wie die Feldlinien eines herkömmlichen Rechteckmagneten. Die Spule hat zwei Pole und divergierende Bögen magnetische Linien entlang der Spule. Ein solcher Magnet kann jederzeit ein- und ausgeschaltet werden, wodurch der Strom in den Spulendrähten ein- und ausgeschaltet wird.

Möglichkeiten, die magnetischen Kräfte einer Spule zu beeinflussen

Es stellte sich jedoch heraus, dass die Stromspule noch andere bemerkenswerte Eigenschaften aufweist. Je mehr Windungen die Spule hat, desto stärker wird das Magnetfeld. Dadurch können Sie Magnete unterschiedlicher Stärke sammeln. Es gibt jedoch noch mehr einfache Wege Einfluss auf die Stärke des Magnetfeldes.

Wenn also der Strom in den Spulendrähten zunimmt, nimmt die Stärke des Magnetfelds zu, und umgekehrt, wenn der Strom abnimmt, wird das Magnetfeld schwächer. Das heißt, durch den einfachen Anschluss eines Rheostaten erhalten wir einen verstellbaren Magneten.

Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule kann durch das Einbringen eines Eisenstabs in das Innere der Spule deutlich verstärkt werden. Man nennt es den Kern. Durch die Verwendung eines Kerns können Sie sehr starke Magnete herstellen. In der Produktion werden beispielsweise Magnete verwendet, die mehrere Dutzend Tonnen Gewicht heben und halten können. Dies wird wie folgt erreicht.

Der Kern ist bogenförmig gebogen und an seinen beiden Enden sind zwei Spulen angebracht, durch die Strom fließt. Die Spulen sind mit 4e-Drähten so verbunden, dass ihre Pole übereinstimmen. Der Kern verstärkt ihr Magnetfeld. Von unten wird an dieser Struktur eine Platte mit Haken befestigt, an der die Last aufgehängt wird. Solche Geräte werden in Fabriken und Häfen zum Bewegen sehr schwerer Lasten eingesetzt. Diese Gewichte lassen sich leicht anschließen und trennen, wenn der Strom in den Spulen ein- und ausgeschaltet wird.

Elektromagnete und ihre Anwendungen

Elektromagnete werden so häufig verwendet, dass es vielleicht schwierig ist, ein elektromechanisches Gerät zu nennen, in dem sie nicht verwendet werden. Die Türen in den Eingängen werden von Elektromagneten gehalten.

Elektromotoren in verschiedensten Geräten wandeln mithilfe von Elektromagneten elektrische Energie in mechanische Energie um. Der Ton in den Lautsprechern wird mithilfe von Magneten erzeugt. Und das ist noch lange nicht der Fall volle Liste. Große Menge Annehmlichkeiten modernes Leben verdankt seine Existenz dem Einsatz von Elektromagneten.

Willkommen alle auf unserer Website!

Wir studieren weiter Elektronik von Anfang an, das heißt von den Grundlagen, und das Thema des heutigen Artikels wird sein Funktionsprinzip und Hauptmerkmale von Induktoren. Mit Blick auf die Zukunft möchte ich sagen, dass wir zunächst theoretische Aspekte diskutieren werden und mehrere zukünftige Artikel ausschließlich der Betrachtung verschiedener elektrischer Schaltkreise gewidmet sein werden, die Induktoren verwenden, sowie Elementen, die wir zuvor in unserem Kurs untersucht haben – und.

Aufbau und Funktionsprinzip eines Induktors.

Wie bereits aus dem Namen des Elements hervorgeht, ist ein Induktor zunächst einmal nur eine Spule :), das heißt große Menge Windungen eines isolierten Leiters. Darüber hinaus ist das Vorhandensein einer Isolierung die wichtigste Voraussetzung – die Windungen der Spule dürfen nicht miteinander kurzgeschlossen werden. Am häufigsten werden die Windungen auf einen zylindrischen oder toroidalen Rahmen gewickelt:

Das wichtigste Merkmal Induktoren ist natürlich Induktivität, warum sollte man ihr sonst einen solchen Namen geben :) Induktivität ist die Fähigkeit, Energie umzuwandeln elektrisches Feld in magnetische Feldenergie um. Diese Eigenschaft der Spule beruht auf der Tatsache, dass beim Stromfluss durch den Leiter um ihn herum ein Magnetfeld entsteht:

Und so sieht das Magnetfeld aus, das entsteht, wenn Strom durch die Spule fließt:

Im Allgemeinen ist streng genommen jedes Element in Stromkreis Sogar ein gewöhnliches Stück Draht hat Induktivität. Tatsache ist jedoch, dass die Größe einer solchen Induktivität im Gegensatz zur Induktivität von Spulen sehr unbedeutend ist. Um diesen Wert zu charakterisieren, wird tatsächlich die Maßeinheit Henry (H) verwendet. 1 Henry ist eigentlich ein sehr großer Wert, daher werden am häufigsten µH (Mikrohenry) und mH (Milihenry) verwendet. Größe Induktivität Spulen können mit der folgenden Formel berechnet werden:

Lassen Sie uns herausfinden, welche Art von Wert in diesem Ausdruck enthalten ist:

Aus der Formel folgt, dass die Induktivität zunimmt, wenn die Windungszahl oder beispielsweise der Durchmesser (und damit die Querschnittsfläche) der Spule zunimmt. Und wenn die Länge zunimmt, nimmt sie ab. Daher sollten die Windungen der Spule möglichst nahe beieinander liegen, da dies zu einer Verkürzung der Spulenlänge führt.

MIT Induktorgerät Nachdem wir es herausgefunden haben, ist es an der Zeit, die physikalischen Prozesse zu berücksichtigen, die in diesem Element beim Passieren ablaufen elektrischer Strom. Dazu betrachten wir zwei Stromkreise – in einem leiten wir Gleichstrom durch die Spule und im anderen Wechselstrom :)

Lassen Sie uns zunächst herausfinden, was in der Spule selbst passiert, wenn Strom fließt. Wenn der Strom seinen Wert nicht ändert, hat die Spule keinen Einfluss darauf. Bedeutet das, dass bei Gleichstrom der Einsatz von Induktivitäten nicht in Betracht gezogen werden sollte? Aber nein :) Schließlich kann Gleichstrom ein- und ausgeschaltet werden, und in den Momenten des Umschaltens passieren die interessantesten Dinge. Schauen wir uns die Schaltung an:

In diesem Fall fungiert der Widerstand als Last, an seiner Stelle könnte beispielsweise eine Lampe stehen. Zusätzlich zum Widerstand und der Induktivität enthält der Stromkreis eine Gleichstromquelle und einen Schalter, mit dem wir den Stromkreis schließen und öffnen.

Was passiert, sobald wir den Schalter schließen?

Spulenstrom beginnt sich zu ändern, da er zum vorherigen Zeitpunkt gleich 0 war. Eine Änderung des Stroms führt zu einer Änderung des magnetischen Flusses innerhalb der Spule, was wiederum das Auftreten von EMF (elektromotorische Kraft) verursacht. der Selbstinduktion, die wie folgt ausgedrückt werden kann:

Das Auftreten von EMF führt zum Auftreten eines induzierten Stroms in der Spule, der entgegen der Richtung des Stroms der Stromquelle fließt. Somit verhindert die selbstinduzierte EMK, dass Strom durch die Spule fließt (der induzierte Strom hebt den Strom im Stromkreis auf, da ihre Richtungen entgegengesetzt sind). Dies bedeutet, dass im ersten Moment (unmittelbar nach dem Schließen des Schalters) der Strom durch die Spule gleich 0 ist. Zu diesem Zeitpunkt ist die Selbstinduktions-EMF maximal. Was wird als nächstes passieren? Weil das EMF-Wert ist direkt proportional zur Änderungsrate des Stroms, dann wird er allmählich schwächer und der Strom nimmt dementsprechend im Gegenteil zu. Schauen wir uns die Grafiken an, die veranschaulichen, was wir besprochen haben:

In der ersten Grafik sehen wir Eingangsspannung des Schaltkreises– Der Stromkreis ist zunächst offen, aber wenn der Schalter geschlossen wird, erscheint er konstanter Wert. In der zweiten Grafik sehen wir Änderung des Stroms durch die Spule Induktivität. Unmittelbar nach dem Schließen des Schalters fehlt der Strom aufgrund des Auftretens der Selbstinduktions-EMF und beginnt dann allmählich anzusteigen. Die Spannung an der Spule hingegen ist zu Beginn am höchsten und nimmt dann ab. Der Spannungsverlauf an der Last stimmt in seiner Form (jedoch nicht in seiner Größe) mit dem Stromverlauf durch die Spule überein (da in einer Reihenschaltung der durch verschiedene Elemente des Stromkreises fließende Strom gleich ist). Wenn wir also eine Lampe als Last verwenden, leuchten diese nicht sofort nach dem Schließen des Schalters auf, sondern mit einer leichten Verzögerung (gemäß der aktuellen Grafik).

Ein ähnlicher Übergangsprozess im Stromkreis wird beobachtet, wenn der Schlüssel geöffnet wird. Im Induktor entsteht eine selbstinduktive EMK, aber der induzierte Strom im Falle eines offenen Stromkreises wird in die gleiche Richtung wie der Strom im Stromkreis geleitet und nicht in die entgegengesetzte Richtung, daher die gespeicherte Energie des Induktors wird verwendet, um den Strom im Stromkreis aufrechtzuerhalten:

Nach dem Öffnen des Schalters entsteht eine Selbstinduktions-EMK, die verhindert, dass der Strom durch die Spule abnimmt, sodass der Strom nicht sofort, sondern nach einiger Zeit Null erreicht. Die Spannung in der Spule hat die gleiche Form wie beim Schließen des Schalters, jedoch ein umgekehrtes Vorzeichen. Dies liegt daran, dass die Stromänderung und dementsprechend die selbstinduktive EMK im ersten und zweiten Fall ein entgegengesetztes Vorzeichen haben (im ersten Fall nimmt der Strom zu und im zweiten Fall ab).

Ich habe übrigens erwähnt, dass die Größe der Selbstinduktions-EMK direkt proportional zur Stromänderungsrate ist, sodass der Proportionalitätskoeffizient nichts anderes als die Induktivität der Spule ist:

Dies endet mit Induktivitäten in Gleichstromkreisen und geht weiter zu Wechselstromkreise.

Betrachten Sie einen Stromkreis, in dem dem Induktor Wechselstrom zugeführt wird:

Schauen wir uns die Abhängigkeiten von Strom und Selbstinduktions-EMF von der Zeit an und finden dann heraus, warum sie so aussehen:

Wie wir bereits herausgefunden haben Selbstinduzierte EMK wir haben ein direkt proportionales und entgegengesetztes Vorzeichen der Stromänderungsrate:

Tatsächlich zeigt uns die Grafik diese Abhängigkeit :) Überzeugen Sie sich selbst – zwischen den Punkten 1 und 2 ändert sich der Strom, und je näher an Punkt 2, desto geringer sind die Änderungen, und an Punkt 2 ändert sich der Strom für kurze Zeit nicht überhaupt seine Bedeutung. Dementsprechend ist die Stromänderungsrate am Punkt 1 maximal und nimmt bei Annäherung an Punkt 2 sanft ab, und am Punkt 2 ist sie gleich 0, was wir in sehen Diagramm der selbstinduzierten EMK. Darüber hinaus steigt der Strom über das gesamte Intervall 1-2 an, was bedeutet, dass seine Änderungsrate positiv ist, und daher nimmt die EMF über dieses gesamte Intervall im Gegenteil negative Werte an.

Ebenso zwischen den Punkten 2 und 3 – der Strom nimmt ab – die Änderungsrate des Stroms ist negativ und nimmt zu – die Selbstinduktions-EMK nimmt zu und ist positiv. Die restlichen Abschnitte des Diagramms werde ich nicht beschreiben – alle Prozesse dort laufen nach dem gleichen Prinzip ab :)

Darüber hinaus können Sie in der Grafik einen sehr wichtigen Punkt erkennen: Mit zunehmendem Strom (Abschnitte 1-2 und 3-4) nehmen die Selbstinduktion von EMK und Strom zu verschiedene Zeichen(Abschnitt 1-2: , title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="12" width="39" style="vertical-align: 0px;">, участок 3-4: title="Gerendert von QuickLaTeX.com" height="12" width="41" style="vertical-align: 0px;">, ). Таким образом, ЭДС самоиндукции препятствует возрастанию тока (индукционные токи направлены “навстречу” току источника). А на участках 2-3 и 4-5 все наоборот – ток убывает, а ЭДС препятствует убыванию тока (поскольку индукционные токи будут направлены в ту же сторону, что и ток источника и будут частично компенсировать уменьшение тока). И в итоге мы приходим к очень !} interessante Tatsache– Die Induktivität widersteht dem durch den Stromkreis fließenden Wechselstrom. Das heißt, es hat einen Widerstand, der induktiv oder reaktiv genannt wird und wie folgt berechnet wird:

Wo ist die Kreisfrequenz: . - Das .

Je höher also die Frequenz des Stroms ist, desto größer ist der Widerstand, den die Induktivität ihm bereitstellt. Und wenn der Strom konstant ist (= 0), dann ist die Reaktanz der Spule 0 und hat dementsprechend keinen Einfluss auf den fließenden Strom.

Kehren wir zu unseren Diagrammen zurück, die wir für den Fall der Verwendung einer Induktivität in einem Wechselstromkreis erstellt haben. Wir haben die Selbstinduktions-EMK der Spule bestimmt, aber wie hoch wird die Spannung sein? Hier ist eigentlich alles einfach :) Nach Kirchhoffs 2. Gesetz:

Und folglich:

Lassen Sie uns die Abhängigkeit von Strom und Spannung im Stromkreis von der Zeit in einem Diagramm darstellen:

Wie Sie sehen können, sind Strom und Spannung relativ zueinander in der Phase () verschoben, und dies ist einer davon die wichtigsten Eigenschaften Wechselstromkreise, die einen Induktor verwenden:

Wenn eine Induktivität an einen Wechselstromkreis angeschlossen wird, tritt im Stromkreis eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom auf, wobei der Strom um eine Viertelperiode gegenüber der Spannung phasenverschoben ist.

Also haben wir herausgefunden, wie man die Spule an den Wechselstromkreis anschließt :)

An dieser Stelle werden wir wahrscheinlich den heutigen Artikel beenden; er ist bereits ziemlich lang geworden, sodass wir unser Gespräch über Induktoren beim nächsten Mal fortsetzen werden. Also bis bald, wir freuen uns, Sie auf unserer Website zu sehen!

Eine bewegte elektrische Ladung erzeugt im umgebenden Raum ein Magnetfeld. Der Elektronenfluss, der durch einen Leiter fließt, erzeugt ein Magnetfeld um den Leiter. Wenn man einen Metalldraht in Ringen um einen Stab wickelt, erhält man eine Spule. Es stellt sich heraus, dass das von einer solchen Spule erzeugte Magnetfeld interessante und vor allem nützliche Eigenschaften hat.

Warum entsteht ein Magnetfeld?

Die magnetischen Eigenschaften einiger Stoffe, die es ihnen ermöglichen, Metallgegenstände anzuziehen, sind seit der Antike bekannt. Aber wir konnten dem Verständnis des Wesens dieses Phänomens nur näher kommen Anfang des 19. Jahrhunderts Jahrhundert. In Analogie zu elektrischen Ladungen gibt es Versuche, magnetische Effekte durch bestimmte magnetische Ladungen (Dipole) zu erklären. Im Jahr 1820 entdeckte der dänische Physiker Hans Oersted, dass eine Magnetnadel abgelenkt wird, wenn ein elektrischer Strom durch einen in ihrer Nähe befindlichen Leiter fließt.

Gleichzeitig stellte der französische Forscher Andre Ampere fest, dass zwei parallel zueinander liegende Leiter eine gegenseitige Anziehung hervorrufen, wenn ein elektrischer Strom in eine Richtung durch sie geleitet wird, und eine Abstoßung, wenn die Ströme in verschiedene Richtungen geleitet werden.

Reis. 1. Amperes Experiment mit stromführenden Drähten. Kompassnadel in der Nähe eines stromführenden Kabels

Basierend auf diesen Beobachtungen kam Ampere zu dem Schluss, dass die Wechselwirkung von Strom mit einer Nadel, die Anziehung (und Abstoßung) von Drähten und Permanentmagneten untereinander erklärt werden kann, wenn wir davon ausgehen, dass das Magnetfeld durch die Bewegung elektrischer Ladungen erzeugt wird. Darüber hinaus stellte Ampere eine kühne Hypothese auf, wonach es im Inneren der Substanz ungedämpfte molekulare Ströme gibt, die für die Entstehung eines konstanten Magnetfelds verantwortlich sind. Dann können alle magnetischen Phänomene durch die Wechselwirkung der Bewegung erklärt werden elektrische Aufladungen, und es gibt keine speziellen magnetischen Ladungen.

Das mathematische Modell (Theorie), mit dessen Hilfe es möglich wurde, die Größe des Magnetfelds und die Wechselwirkungskraft zu berechnen, wurde vom englischen Physiker James Maxwell entwickelt. Aus Maxwells Gleichungen, die elektrische und magnetische Phänomene kombinierten, folgte Folgendes:

Ein Magnetfeld entsteht nur durch die Bewegung elektrischer Ladungen;
In natürlichen magnetischen Körpern existiert ein konstantes Magnetfeld, aber auch in diesem Fall ist die Ursache des Feldes die kontinuierliche Bewegung molekularer Ströme (Wirbel) in der Masse der Substanz;
Ein magnetisches Feld kann auch durch ein elektrisches Wechselfeld erzeugt werden, dieses Thema wird jedoch in unseren nächsten Artikeln behandelt.

Magnetfeld einer Stromspule

Ein in Ringen um einen zylindrischen Stab (Holz, Kunststoff usw.) gewickelter Metalldraht ist eine elektromagnetische Spule. Der Draht muss isoliert, also mit einer Art Isolator (Lack oder Kunststoffgeflecht) bedeckt sein, um einen Kurzschluss benachbarter Windungen zu vermeiden. Durch den Stromfluss addieren sich die Magnetfelder aller Windungen und es stellt sich heraus, dass das gesamte Magnetfeld der Spule mit Strom identisch (völlig ähnlich) dem Magnetfeld eines Permanentmagneten ist.

Reis. 2. Magnetfeld der Spule und des Permanentmagneten.

Innerhalb der Spule ist das Magnetfeld gleichmäßig, wie bei einem Permanentmagneten. Von außen lassen sich die magnetischen Feldlinien einer stromdurchflossenen Spule anhand kleiner Metallspäne erkennen. Die magnetischen Feldlinien sind geschlossen. In Analogie zur Magnetnadel eines Kompasses hat eine Spule mit Strom zwei Pole – Süd und Nord. Stromleitungen entstehen am Nordpol und enden am Südpol.

Für stromdurchflossene Spulen gibt es noch weitere, eigenständige Bezeichnungen, die je nach Anwendungsfall verwendet werden:

Induktor oder einfach - Induktivität. Der Begriff wird in der Funktechnik verwendet;
Gaspedal(Gas - Regler, Begrenzer). Wird in der Elektrotechnik verwendet;
Magnet. Dieses zusammengesetzte Wort kommt von zwei griechischen Wörtern: solen – Kanal, Pfeife und eidos – ähnlich). Dabei handelt es sich um Spezialspulen mit Kernen aus speziellen Magnetlegierungen (Ferromagneten), die als elektromechanische Mechanismen eingesetzt werden. Bei Autostartern ist beispielsweise die Magnetspule der Magnet.

Reis. 3. Induktoren, Induktor, Magnet

Magnetfeldenergie

Die Spule mit Strom speichert Energie aus der Stromquelle (Batterie, Akku), die umso größer ist, je größer der Strom I und der Wert von L ist, der als Induktivität bezeichnet wird. Die magnetische Feldenergie einer Spule mit dem Strom W wird nach folgender Formel berechnet:

$$ W = (( L*I^2)\over 2 ) $$

Diese Formel ähnelt der Formel für die kinetische Energie eines Körpers. Die Induktivität ähnelt der Masse eines Körpers und der Strom ähnelt der Geschwindigkeit des Körpers. Magnetische Energie ist proportional zum Quadrat des Stroms, ebenso wie kinetische Energie proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist.

Um den Induktivitätswert der Spule zu berechnen, gibt es folgende Formel:

$$ L = μ *((N^2*S)\over l_к) $$

N ist die Anzahl der Spulenwindungen;

S ist die Querschnittsfläche der Spule;

l k ist die Länge der Spule;

μ – magnetische Permeabilität des Kernmaterials – Referenzwert. Der Kern ist ein Metallstab, der in der Spule platziert ist. Dadurch können Sie die Stärke des Magnetfelds deutlich erhöhen.

Was haben wir gelernt?

Wir haben also gelernt, dass ein Magnetfeld nur durch die Bewegung elektrischer Ladungen entsteht. Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule ähnelt dem Magnetfeld eines Permanentmagneten. Die Energie des Magnetfeldes der Spule lässt sich aus der Kenntnis der Stromstärke I und der Induktivität L berechnen.