بیشترین علاقه عملی، میدان مغناطیسی یک سیم پیچ حامل جریان است. شکل 97 یک سیم پیچ متشکل از تعداد زیادیپیچ سیم بر روی یک قاب چوبی. هنگامی که جریان در سیم پیچ وجود دارد، براده های آهن به انتهای آن جذب می شوند و هنگامی که جریان قطع می شود، از بین می روند.

برنج. 97. جذب براده های آهن توسط یک کلاف جریان

اگر یک سیم پیچ با جریان بر روی هادی های نازک و انعطاف پذیر معلق باشد، به همان روشی که سوزن مغناطیسی قطب نما نصب می شود، نصب می شود. یک سر سیم پیچ به سمت شمال و دیگری به سمت جنوب خواهد بود. این بدان معنی است که یک سیم پیچ با جریان، مانند یک سوزن مغناطیسی، دو قطب دارد - شمال و جنوب (شکل 98).

برنج. 98. قطب های سیم پیچ فعلی

یک میدان مغناطیسی در اطراف سیم پیچ حامل جریان وجود دارد. مانند میدان جریان مستقیم، می توان با استفاده از خاک اره تشخیص داد (شکل 99). خطوط مغناطیسی میدان مغناطیسی یک سیم پیچ حامل جریان نیز منحنی های بسته هستند. به طور کلی پذیرفته شده است که آنها در خارج از سیم پیچ به دور از آن هدایت می شوند قطب شمالسیم پیچ به سمت جنوب (نگاه کنید به شکل 99).

برنج. 99. خطوط مغناطیسی یک سیم پیچ جریان

کویل های حامل جریان به طور گسترده در فناوری به عنوان آهنربا استفاده می شوند. آنها راحت هستند زیرا آنها عمل مغناطیسیرا می توان در محدوده وسیعی تغییر داد (تقویت یا تضعیف کرد). بیایید به روش هایی که از طریق آنها می توانید این کار را انجام دهید نگاه کنیم.

شکل 97 آزمایشی را نشان می دهد که در آن عمل میدان مغناطیسی یک سیم پیچ با جریان مشاهده می شود. اگر سیم پیچ را با سیم پیچ دیگری جایگزین کنید، با تعداد دور سیم بیشتر، آنگاه با همان قدرت جریان، اجسام آهنی بیشتری را جذب می کند. به معنای، اثر مغناطیسی یک سیم پیچ حامل جریان قوی تر است تعداد بزرگتردر آن می چرخد.

بیایید یک رئوستات را به مدار حاوی سیم پیچ وصل کنیم (شکل 100) و از آن برای تغییر قدرت جریان در سیم پیچ استفاده کنیم. با افزایش جریان، اثر میدان مغناطیسی سیم پیچ جریان افزایش می یابد و با کاهش جریان، آن را ضعیف می کند..

برنج. 100. اثر میدان مغناطیسی یک سیم پیچ

همچنین معلوم می شود که اثر مغناطیسی یک سیم پیچ حامل جریان را می توان به طور قابل توجهی افزایش داد بدون اینکه تعداد دورهای آن یا قدرت جریان در آن تغییر کند. برای این کار باید یک میله (هسته) آهنی را داخل سیم پیچ قرار دهید. آهن وارد شده در داخل سیم پیچ باعث افزایش اثر مغناطیسی سیم پیچ می شود(شکل 101).

برنج. 101. اثر میدان مغناطیسی سیم پیچ با هسته آهنی

سیم پیچی که درون آن یک هسته آهنی وجود دارد، آهنربای الکتریکی نامیده می شود.

آهنربای الکتریکی یکی از اجزای اصلی بسیاری از وسایل فنی است. شکل 102 یک آهنربای الکتریکی قوسی شکل را نشان می دهد که آرمیچر (صفحه آهنی) را با بار معلق نگه می دارد.

برنج. 102. آهنربای الکتریکی قوسی شکل

الکترومغناطیس ها به دلیل خواص قابل توجهی که دارند به طور گسترده ای در فناوری استفاده می شوند. هنگامی که جریان قطع می شود، آنها به سرعت مغناطیس زدایی می کنند؛ بسته به هدف آنها، می توان آنها را در اندازه های مختلف ساخت؛ در حالی که آهنربای الکتریکی در حال کار است، می توان با تغییر قدرت جریان در سیم پیچ، عملکرد مغناطیسی آن را تنظیم کرد.

الکترومغناطیس با نیروی بالابر زیاد در کارخانه ها برای حمل محصولات ساخته شده از فولاد یا چدن و ​​همچنین براده ها و شمش های فولادی و چدنی استفاده می شود (شکل 103).

برنج. 103. کاربرد آهنرباهای الکتریکی

شکل 104 سطح مقطع جداکننده دانه مغناطیسی را نشان می دهد. براده های آهن بسیار ریز در دانه مخلوط می شوند. این خاک اره ها به دانه های صاف دانه های سالم نمی چسبند، اما به دانه های علف های هرز می چسبند. دانه های 1 از قیف بر روی درام دوار 2 ریخته می شود. داخل درام یک آهنربای الکتریکی قوی وجود دارد 5. با جذب ذرات آهن 4 دانه های علف هرز را از جریان دانه جدا می کند و به این ترتیب دانه را از علف های هرز و به طور تصادفی پاک می کند. اشیاء آهنی را گرفت

برنج. 104. جداکننده مغناطیسی

الکترومغناطیس در تلگراف، تلفن و بسیاری از وسایل دیگر استفاده می شود.

سوالات

1. سیم پیچ حامل جریان بر روی هادی های نازک بلند در چه جهتی تعلیق شده است؟ چه شباهت هایی با سوزن مغناطیسی دارد؟
2. از چه راه هایی می توان اثر مغناطیسی یک سیم پیچ حامل جریان را افزایش داد؟
3. آهنربای الکتریکی چه نام دارد؟
4. برای چه اهدافی از آهنرباهای الکتریکی در کارخانه ها استفاده می شود؟
5. جداکننده دانه مغناطیسی چگونه کار می کند؟

تمرین 41

1. ساخت یک آهنربای الکتریکی ضروری است که نیروی بالابر آن را می توان بدون تغییر طرح تنظیم کرد. چگونه انجامش بدهیم؟
2. برای تغییر چه باید کرد قطب های مغناطیسیسیم پیچ با جریان در جهت مخالف؟
3. اگر به طراح شرط داده شود که جریان الکتریکی نسبتاً کم باشد، چگونه می توان یک آهنربای الکتریکی قوی ساخت؟
4. الکترومغناطیس های مورد استفاده در جرثقیل قدرت بسیار بالایی دارند. آهنرباهای الکتریکی که برای از بین بردن براده های آهن سرگردان از چشم استفاده می شوند بسیار ضعیف هستند. این تفاوت از چه راه هایی محقق می شود؟

ورزش

رسانایی که جریان الکتریکی از طریق آن جریان می یابد، میدان مغناطیسی ایجاد می کند که با یک بردار ولتاژ مشخص می شود. `H(شکل 3). قدرت میدان مغناطیسی از اصل برهم نهی تبعیت می کند

و طبق قانون بیوت-ساوارت-لاپلاس،

جایی که من- قدرت جریان در هادی - بردار با طول یک قطعه ابتدایی هادی و جهت جریان در جهت جریان. ر- بردار شعاع اتصال عنصر با نقطه مورد نظر پ.

یکی از رایج ترین پیکربندی هادی های حامل جریان، سیم پیچی به شکل حلقه ای به شعاع R است (شکل 3، a). میدان مغناطیسی چنین جریانی در صفحه ای که از محور تقارن عبور می کند به شکلی است (شکل 3، ب را ببینید). میدان به طور کلی باید تقارن چرخشی نسبت به محور z داشته باشد (شکل 3، b) و خود خطوط میدان باید نسبت به صفحه حلقه (صفحه) متقارن باشند. xy). میدانی که در مجاورت هادی قرار دارد شبیه میدان نزدیک یک سیم مستقیم طولانی خواهد بود، زیرا در اینجا تأثیر قسمت های دور حلقه نسبتاً کم است. در محور جریان دایره ای، میدان در امتداد محور هدایت می شود ز.

بیایید قدرت میدان مغناطیسی را در محور حلقه در نقطه ای که در فاصله z از صفحه حلقه قرار دارد محاسبه کنیم. با استفاده از فرمول (6) کافی است مولفه z بردار را محاسبه کنید:

. (7)

با ادغام در کل حلقه، òd را بدست می آوریم ل= 2p آر. زیرا طبق قضیه فیثاغورث r 2 = آر 2 + z 2 ، سپس میدان مورد نیاز در نقطه ای از محور از نظر قدر برابر است

. (8)

جهت برداری `Hرا می توان بر اساس قانون پیچ درست هدایت کرد.

در مرکز حلقه z= 0 و فرمول (8) ساده می کند:

ما علاقه مند هستیم قرقره کوتاه- یک سیم پیچ استوانه ای متشکل از نچرخش به همان شعاع به دلیل تقارن محوری و مطابق با اصل برهم نهی، میدان مغناطیسی چنین سیم پیچی در محور H مجموع جبری میدان های تک تک چرخش ها است. اچمن: . بنابراین، میدان مغناطیسی یک سیم پیچ کوتاه حاوی ن k چرخش، در یک نقطه دلخواه در محور با استفاده از فرمول محاسبه می شود

, , (10)

جایی که اچ- تنش، ب- القای میدان مغناطیسی

میدان مغناطیسی یک شیر برقی با جریان

برای محاسبه القای میدان مغناطیسی در شیر برقی، از قضیه گردش بردار القای مغناطیسی استفاده می شود:

, (11)

جایی که - جمع جبریجریان های تحت پوشش مدار Lفرم رایگان، n- تعداد رساناهایی با جریان های تحت پوشش مدار. در این حالت هر جریان به تعداد دفعاتی که توسط مدار پوشانده می شود در نظر گرفته می شود و جریانی مثبت در نظر گرفته می شود که جهت آن یک سیستم سمت راست با جهت پیمایش در طول مدار را تشکیل می دهد. - یک عنصر مدار L.

اجازه دهید قضیه را در مورد گردش بردار القای مغناطیسی به یک شیر برقی با طول اعمال کنیم. لداشتن نبا چرخش با قدرت فعلی من(شکل 4). در محاسبه در نظر می گیریم که تقریباً کل میدان در داخل شیر برقی متمرکز شده است (از اثرات لبه غفلت می کنیم) و یکنواخت است. سپس فرمول 11 به شکل زیر در می آید:

,

از جایی که القای میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط جریان داخل شیر برقی را می یابیم:

برنج. 4. شیر برقی با جریان و میدان مغناطیسی آن

نمودار نصب

برنج. 5 نمودار الکتریکی شماتیک نصب

1 – سنج القایی میدان مغناطیسی (تسلامتر)، A – آمپرمتر، 2 – سیم اتصال، 3 – پروب اندازه گیری، 4 – سنسور هال*، 5 – شیء تحت مطالعه (سیم پیچ کوتاه، هادی مستقیم، سلونوئید)، 6 – منبع جریان، 7 – خط کش برای تثبیت موقعیت سنسور 8 – نگهدارنده پروب.

* – اصل عملکرد سنسور بر اساس پدیده هال اثر است (به کار آزمایشگاهی شماره 15 مطالعه اثر هال مراجعه کنید)

سفارش کار

1. مطالعه میدان مغناطیسی یک سیم پیچ کوتاه

1.1. دستگاه ها را روشن کنید. سوئیچ های منبع تغذیه و تسلامتر در پنل های عقب قرار دارند.

1.2. به عنوان شی مورد مطالعه 5 (به شکل 5 مراجعه کنید)، یک سیم پیچ کوتاه در نگهدارنده نصب کنید و آن را به منبع جریان 6 وصل کنید.

1.3. تنظیم کننده ولتاژ منبع 6 را در موقعیت وسط قرار دهید. با تنظیم جریان خروجی در منبع 6 و مانیتور با آمپرمتر، قدرت جریان را روی صفر تنظیم کنید (مقدار باید صفر باشد).

1.4. از رگولاتورهای درشت 1 و تنظیم دقیق 2 (شکل 6) برای دستیابی به خوانش صفر در Teslameter استفاده کنید.

1.5. نگهدارنده را با پروب اندازه گیری روی خط کش در موقعیتی مناسب برای خواندن قرار دهید - به عنوان مثال، در مختصات 300 میلی متر. در آینده، این موقعیت را به عنوان صفر در نظر بگیرید. در حین نصب و در حین اندازه گیری، از موازی بودن بین پروب و خط کش اطمینان حاصل کنید.

1.6. نگهدارنده را با یک سیم پیچ کوتاه طوری قرار دهید که سنسور هال 4 در مرکز چرخش سیم پیچ باشد (شکل 7). برای این کار، از پیچ گیره تنظیم ارتفاع روی نگهدارنده پروب اندازه گیری استفاده کنید. صفحه سیم پیچ باید عمود بر پروب باشد. در فرآیند آماده سازی اندازه گیری ها، نگهدارنده را با نمونه آزمایشی حرکت دهید و پروب اندازه گیری را بدون حرکت رها کنید.

1.7. اطمینان حاصل کنید که در حالی که Teslameter در حال گرم شدن است، خوانش آن صفر باقی می ماند. اگر این کار انجام نشد، Teslameter را روی صفر در جریان صفر در نمونه تنظیم کنید.

1.8. جریان سیم پیچ کوتاه را روی 5 A تنظیم کنید (با تنظیم خروجی در منبع تغذیه 6، Constanter/Netzgerät Universal).

1.9. اندازه گیری القای مغناطیسی ببر روی محور سیم پیچ بسته به فاصله تا مرکز سیم پیچ. برای انجام این کار، نگهدارنده پروب اندازه گیری را در امتداد خط کش حرکت دهید و موازی بودن را در موقعیت اصلی خود حفظ کنید. ارزش های منفی z مربوط به جابجایی کاوشگر به ناحیه ای با مختصات کوچکتر از مختصات اولیه است و بالعکس - مقادیر مثبت z - در ناحیه مختصات بزرگ. داده ها را در جدول 1 وارد کنید.

جدول 1 وابستگی القای مغناطیسی به محور یک سیم پیچ کوتاه به فاصله تا مرکز سیم پیچ

1.10. نقاط 1.2 - 1.7 را تکرار کنید.

1.11. وابستگی القایی در مرکز پیچ را به جریان عبوری از سیم پیچ اندازه گیری کنید. داده ها را در جدول 2 وارد کنید.

جدول 2 وابستگی القای مغناطیسی در مرکز یک سیم پیچ کوتاه به شدت جریان در آن

2. مطالعه میدان مغناطیسی شیر برقی

2.1. به عنوان یک جسم آزمایشی 5، شیر برقی را روی یک نیمکت فلزی با قابلیت تنظیم ارتفاع از مواد غیر مغناطیسی نصب کنید (شکل 8).

2.2. 1.3 - 1.5 را تکرار کنید.

2.3. ارتفاع نیمکت را طوری تنظیم کنید که پروب اندازه گیری از محور تقارن شیر برقی عبور کند و سنسور هال در وسط پیچ های شیر برقی قرار گیرد.

2.4. مراحل 1.7 - 1.11 را تکرار کنید (در اینجا به جای سیم پیچ کوتاه از شیر برقی استفاده می شود). داده های جداول 3 و 4 را به ترتیب وارد کنید در این صورت مختصات مرکز شیر برقی را به صورت زیر تعیین کنید: سنسور هال را در ابتدای شیر برقی نصب کنید و مختصات نگهدارنده را ثابت کنید. سپس نگهدارنده را در امتداد خط کش در امتداد محور شیر برقی حرکت دهید تا انتهای سنسور در سمت دیگر شیر برقی قرار گیرد. مختصات نگهدارنده را در این موقعیت ثابت کنید. مختصات مرکز شیر برقی برابر با میانگین حسابی دو مختصات اندازه گیری شده خواهد بود.

جدول 3 وابستگی القای مغناطیسی به محور شیر برقی به فاصله تا مرکز آن.

2.5. نقاط 1.3 - 1.7 را تکرار کنید.

2.6. وابستگی القایی در مرکز شیر برقی را به جریان عبوری از سیم پیچ اندازه گیری کنید. داده ها را در جدول 4 وارد کنید.

جدول 4 وابستگی القای مغناطیسی در مرکز شیر برقی به شدت جریان در آن

3. مطالعه میدان مغناطیسی یک هادی مستقیم با جریان

3.1. به عنوان شی مورد مطالعه 5، یک هادی مستقیم با جریان نصب کنید (شکل 9، a). برای انجام این کار، سیم هایی که از آمپرمتر و منبع تغذیه می آیند را به یکدیگر متصل کنید (مدار خارجی را اتصال کوتاه کنید) و هادی را مستقیماً روی لبه پروب 3 در سنسور 4، عمود بر پروب قرار دهید (شکل 9، ب). برای پشتیبانی از هادی، از یک نیمکت فلزی با قابلیت تنظیم ارتفاع ساخته شده از مواد غیر مغناطیسی در یک طرف پروب و یک نگهدارنده برای نمونه های آزمایشی در طرف دیگر استفاده کنید (برای موارد بیشتر می توان یک ترمینال هادی را در یکی از سوکت های نگهدارنده قرار داد. تثبیت قابل اعتماد این هادی). به هادی شکل مستقیم بدهید.

3.2. نقاط 1.3 - 1.5 را تکرار کنید.

3.3. وابستگی القای مغناطیسی به قدرت جریان در هادی را تعیین کنید. داده های اندازه گیری شده را در جدول 5 وارد کنید.

جدول 5 وابستگی القای مغناطیسی ایجاد شده توسط یک هادی مستقیم به شدت جریان در آن

4. تعیین پارامترهای اشیاء مورد مطالعه

4.1. داده های لازم برای محاسبات را تعیین کنید (در صورت لزوم اندازه گیری کنید) و در جدول 6 ثبت کنید: N به- تعداد دور سیم پیچ کوتاه، آر- شعاع آن؛ N s- تعداد چرخش های برقی، ل- طول آن، L- اندوکتانس آن (که روی شیر برقی نشان داده شده است) د- قطر آن

جدول 6 پارامترهای نمونه های مورد مطالعه

نبه	آر	نبا	د	ل	L

پردازش نتایج

1. با استفاده از فرمول (10)، القای مغناطیسی ایجاد شده توسط یک سیم پیچ کوتاه با جریان را محاسبه کنید. داده ها را در جداول 1 و 2 وارد کنید. بر اساس داده های جدول 1، یک وابستگی نظری و تجربی از القای مغناطیسی بر روی محور یک سیم پیچ کوتاه در فاصله z تا مرکز سیم پیچ بسازید. وابستگی های نظری و تجربی را در محورهای مختصات یکسان بسازید.

2. بر اساس داده های جدول 2، یک وابستگی نظری و تجربی از القای مغناطیسی در مرکز یک سیم پیچ کوتاه به شدت جریان در آن بسازید. وابستگی های نظری و تجربی را در محورهای مختصات یکسان بسازید. با استفاده از فرمول (10) شدت میدان مغناطیسی را در مرکز سیم پیچ زمانی که جریان در آن 5 A است محاسبه کنید.

3. با استفاده از فرمول (12) القای مغناطیسی ایجاد شده توسط شیر برقی را محاسبه کنید. داده ها را در جداول 3 و 4 وارد کنید. بر اساس داده های جدول 3، یک وابستگی نظری و تجربی از القای مغناطیسی بر محور شیر برقی در فاصله z تا مرکز آن بسازید. وابستگی های نظری و تجربی را در محورهای مختصات یکسان بسازید.

4. بر اساس داده های جدول 4، یک وابستگی نظری و تجربی از القای مغناطیسی در مرکز شیر برقی به شدت جریان در آن بسازید. وابستگی های نظری و تجربی را در محورهای مختصات یکسان بسازید. شدت میدان مغناطیسی را در مرکز شیر برقی زمانی که جریان در آن 5 آمپر است محاسبه کنید.

5. بر اساس داده های جدول 5، یک وابستگی تجربی از القای مغناطیسی ایجاد شده توسط هادی به قدرت جریان در آن بسازید.

6. بر اساس فرمول (5) تعیین کنید کوتاه ترین فاصله r o از سنسور تا هادی حامل جریان (این فاصله با ضخامت عایق هادی و ضخامت عایق سنسور در پروب تعیین می شود). نتایج محاسبات را در جدول 5 وارد کنید. مقدار میانگین حسابی را محاسبه کنید r o، با یک مقدار مشاهده شده بصری مقایسه کنید.

7. اندوکتانس شیر برقی را محاسبه کنید L.نتایج محاسبات را در جدول 4 وارد کنید. مقدار میانگین حاصل را با هم مقایسه کنید Lبا مقدار اندوکتانس ثابت در جدول 6. برای محاسبه، از فرمول، جایی که Y- شار، Y = N با BS،جایی که که در- القای مغناطیسی در شیر برقی (طبق جدول 4)، اس= ص د 2/4 - سطح مقطع شیر برقی.

کنترل سوالات

1. قانون بیوت-ساوارت-لاپلاس چیست و چگونه می توان آن را در محاسبه میدان مغناطیسی هادی های حامل جریان اعمال کرد؟

2. جهت بردار چگونه تعیین می شود اچدر قانون بیوت-ساوارت-لاپلاس؟

3. بردارهای القای مغناطیسی چگونه به هم متصل هستند؟ بو تنش اچبین خودشون؟ واحدهای اندازه گیری آنها چیست؟

4. قانون بیوت-ساوارت-لاپلاس چگونه در محاسبه میدان های مغناطیسی استفاده می شود؟

5. میدان مغناطیسی در این کار چگونه اندازه گیری می شود؟ کدام پدیده فیزیکیبر اساس اصل اندازه گیری میدان مغناطیسی؟

6. اندوکتانس را تعریف کنید شار مغناطیسی، شار. واحدهای اندازه گیری این کمیت ها را مشخص کنید.

کتابشناسی - فهرست کتب

ادبیات آموزشی

1. کلاشینکف N.P.مبانی فیزیک. M.: Bustard، 2004. T. 1

2. ساولیف I.V.. دوره فیزیک. M.: Nauka، 1998. T. 2.

3. Detlaf A.A.,یاورسکی بی.ام.دوره فیزیک. م.: دانشکده تحصیلات تکمیلی, 2000.

4. ایرودوف I.E.الکترومغناطیس. M.: Binom، 2006.

5. یاورسکی بی.ام.,Detlaf A.A.کتاب راهنمای فیزیک. M.: Nauka، 1998.

یک میدان مغناطیسی در اطراف خود ایجاد می کند. اگر نمی فهمید که چگونه از چنین خاصیت شگفت انگیز جریان استفاده کند، شخص خودش نبود. بر اساس این پدیده، انسان آهنرباهای الکتریکی را ایجاد کرد.

کاربرد آنها بسیار گسترده و در همه جا حاضر است دنیای مدرن. الکترومغناطیس ها قابل توجه هستند زیرا برخلاف آهنرباهای دائمی، می توان آن ها را در صورت نیاز روشن و خاموش کرد و قدرت میدان مغناطیسی اطراف آنها را تغییر داد. چگونه مورد استفاده قرار می گیرند؟ خواص مغناطیسیجاری؟ آهنرباهای الکتریکی چگونه ایجاد و مورد استفاده قرار می گیرند؟

میدان مغناطیسی یک سیم پیچ جریان

در نتیجه آزمایش‌ها، می‌توان دریافت که میدان مغناطیسی اطراف یک هادی حامل جریان را می‌توان در صورتی که سیم به شکل مارپیچ پیچیده شود، تقویت کرد. معلوم می شود که یک نوع سیم پیچ است. میدان مغناطیسی چنین سیم پیچی بسیار بیشتر از میدان مغناطیسی یک هادی است.

علاوه بر این، خطوط میدان مغناطیسی سیم پیچ حامل جریان به روشی مشابه خطوط میدان یک آهنربای مستطیلی معمولی قرار دارند. سیم پیچ دارای دو قطب و قوس های واگرا است خطوط مغناطیسیدر امتداد سیم پیچ چنین آهنربایی را می توان در هر زمان روشن و خاموش کرد، به ترتیب، جریان را در سیم های سیم پیچ روشن و خاموش کرد.

راه های تأثیرگذاری بر نیروهای مغناطیسی یک سیم پیچ

با این حال، معلوم شد که سیم پیچ فعلی دارای ویژگی های قابل توجه دیگری است. هرچه پیچ های سیم پیچ بیشتر باشد، میدان مغناطیسی قوی تر می شود. این به شما امکان می دهد آهنرباهایی با قدرت های مختلف جمع آوری کنید. با این حال بیشتر وجود دارد راه های سادهتأثیر بر بزرگی میدان مغناطیسی

بنابراین، هنگامی که جریان در سیم های سیم پیچ افزایش می یابد، قدرت میدان مغناطیسی افزایش می یابد و برعکس، زمانی که جریان کاهش می یابد، میدان مغناطیسی ضعیف می شود. یعنی با اتصال ساده رئوستات یک آهنربای قابل تنظیم بدست می آوریم.

میدان مغناطیسی یک سیم پیچ حامل جریان را می توان با وارد کردن یک میله آهنی در داخل سیم پیچ به میزان قابل توجهی افزایش داد. به آن هسته می گویند. استفاده از یک هسته به شما امکان می دهد آهنرباهای بسیار قدرتمندی ایجاد کنید. به عنوان مثال، در تولید از آهنرباهایی استفاده می کنند که قادر به بلند کردن و نگه داشتن چندین ده تن وزن هستند. این امر به شرح زیر حاصل می شود.

هسته به شکل قوس خم می شود و دو سیم پیچ در دو سر آن قرار می گیرد که جریان از آن عبور می کند. سیم پیچ ها با سیم های 4e به هم متصل می شوند تا قطب های آنها بر هم منطبق شوند. هسته میدان مغناطیسی آنها را افزایش می دهد. از پایین صفحه ای با قلاب به این سازه متصل می شود که بار روی آن معلق است. از این گونه وسایل در کارخانه ها و بنادر برای جابجایی بارهای بسیار سنگین استفاده می شود. این وزنه ها هنگام روشن و خاموش کردن جریان در سیم پیچ ها به راحتی متصل و جدا می شوند.

الکترومغناطیس و کاربردهای آنها

الکترومغناطیس ها به قدری گسترده مورد استفاده قرار می گیرند که شاید نام بردن از یک وسیله الکترومکانیکی که در آن استفاده نمی شود دشوار باشد. درهای ورودی توسط آهنرباهای الکتریکی نگه داشته می شوند.

موتورهای الکتریکی در طیف گسترده ای از دستگاه ها انرژی الکتریکی را با استفاده از آهنرباهای الکتریکی به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند. صدا در بلندگوها با استفاده از آهنربا ایجاد می شود. و این دور از ذهن است لیست کامل. مقدار عالیامکانات رفاهی زندگی مدرنوجود آن را مدیون استفاده از آهنرباهای الکتریکی است.

به همه به وب سایت ما خوش آمدید!

ما به مطالعه ادامه می دهیم الکترونیکاز همان ابتدا، یعنی از همان ابتدا، و موضوع مقاله امروز خواهد بود اصل عملکرد و ویژگی های اصلی سلف ها. با نگاهی به آینده، می گویم که ابتدا جنبه های نظری را مورد بحث قرار خواهیم داد و چندین مقاله آینده به طور کامل به بررسی مدارهای الکتریکی مختلف که از سلف ها استفاده می کنند و همچنین عناصری که قبلاً در دوره خود مطالعه کرده بودیم اختصاص داده خواهد شد.

طراحی و اصل عملکرد یک سلف.

همانطور که قبلاً از نام عنصر مشخص است ، یک سلف اول از همه فقط یک سیم پیچ است :) ، یعنی تعداد زیادی ازچرخش هادی عایق شده علاوه بر این، وجود عایق مهمترین شرط است - چرخش های سیم پیچ نباید با یکدیگر اتصال کوتاه کنند. بیشتر اوقات، پیچ ها روی یک قاب استوانه ای یا حلقوی پیچیده می شوند:

مهمترین ویژگی سلف هاطبیعتاً اندوکتانس است، وگرنه چرا باید چنین نامی به آن داده شود :) اندوکتانس توانایی تبدیل انرژی است میدان الکتریکیبه انرژی میدان مغناطیسی این خاصیت سیم پیچ به این دلیل است که وقتی جریان از هادی عبور می کند، میدان مغناطیسی در اطراف آن ظاهر می شود:

و در اینجا میدان مغناطیسی که هنگام عبور جریان از سیم پیچ ظاهر می شود، به نظر می رسد:

به طور کلی، به طور دقیق، هر عنصر در مدار الکتریکیحتی یک قطعه سیم معمولی دارای اندوکتانس است. اما واقعیت این است که بزرگی چنین اندوکتانسی بر خلاف اندوکتانس سیم پیچ ها بسیار ناچیز است. در واقع، برای مشخص کردن این مقدار، از واحد اندازه گیری هنری (H) استفاده می شود. 1 هنری در واقع یک مقدار بسیار بزرگ است، بنابراین μH (microhenry) و mH (milihenry) اغلب استفاده می شود. اندازه اندوکتانسکویل ها را می توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:

بیایید بفهمیم که چه نوع ارزشی در این عبارت گنجانده شده است:

از فرمول بر می آید که با افزایش تعداد چرخش ها یا مثلاً قطر (و بر این اساس سطح مقطع) سیم پیچ، اندوکتانس افزایش می یابد. و با افزایش طول، کاهش می یابد. بنابراین، پیچ های روی سیم پیچ باید تا حد امکان نزدیک به یکدیگر قرار گیرند، زیرا این منجر به کاهش طول سیم پیچ می شود.

با دستگاه سلفما متوجه شدیم، زمان آن رسیده است که فرآیندهای فیزیکی را که در این عنصر هنگام عبور رخ می دهد در نظر بگیریم جریان الکتریسیته. برای انجام این کار، ما دو مدار را در نظر می گیریم - در یکی جریان مستقیم را از سیم پیچ عبور می دهیم و در دیگری - جریان متناوب :)

بنابراین، اول از همه، بیایید بفهمیم که وقتی جریان جریان دارد در خود سیم پیچ چه اتفاقی می افتد. اگر جریان مقدار خود را تغییر ندهد، سیم پیچ هیچ تاثیری روی آن ندارد. آیا این بدان معناست که در جریان مستقیم نباید به استفاده از سلف توجه کرد؟ اما نه :) به هر حال، جریان مستقیم را می توان روشن/خاموش کرد، و در لحظه سوئیچ کردن است که همه چیزهای جالب اتفاق می افتد. بیایید به مدار نگاه کنیم:

در این مورد، مقاومت به عنوان یک بار عمل می کند؛ به عنوان مثال، یک لامپ در جای خود می تواند وجود داشته باشد. مدار علاوه بر مقاومت و اندوکتانس شامل یک منبع DC و یک کلید است که با آن مدار را می بندیم و باز می کنیم.

لحظه ای که سوئیچ را می بندیم چه اتفاقی می افتد؟

جریان سیم پیچشروع به تغییر خواهد کرد، زیرا در لحظه قبلی برابر با 0 بود. تغییر در جریان منجر به تغییر در شار مغناطیسی داخل سیم پیچ می شود که به نوبه خود باعث وقوع EMF (نیروی محرکه الکتریکی) می شود. خود القایی که می تواند به صورت زیر بیان شود:

وقوع EMF منجر به ظهور جریان القایی در سیم پیچ می شود که در جهت مخالف جهت جریان منبع تغذیه جریان می یابد. بنابراین، emf خود القا شده از عبور جریان از سیم پیچ جلوگیری می کند (جریان القایی به دلیل مخالف بودن جهت آنها، جریان مدار را لغو می کند). این بدان معنی است که در لحظه اولیه (بلافاصله پس از بستن کلید) جریان عبوری از سیم پیچ برابر با 0 خواهد بود. در این لحظه از زمان، EMF خود القایی حداکثر است. بعد از این چه خواهد شد؟ از آنجا که مقدار EMFبه طور مستقیم با نرخ تغییر جریان متناسب است، سپس به تدریج ضعیف می شود و جریان بر این اساس، برعکس، افزایش می یابد. بیایید به نمودارهایی نگاه کنیم که نشان می دهد آنچه در مورد آن بحث کردیم:

در نمودار اول می بینیم ولتاژ ورودی مدار– مدار در ابتدا باز است، اما هنگامی که کلید بسته است، ظاهر می شود مقدار ثابت. در نمودار دوم می بینیم تغییر جریان از طریق سیم پیچاندوکتانس بلافاصله پس از بستن سوئیچ، جریان به دلیل وقوع EMF خود القایی وجود ندارد و سپس شروع به افزایش تدریجی می کند. برعکس، ولتاژ روی سیم پیچ در لحظه اولیه زمان در حداکثر خود است و سپس کاهش می یابد. نمودار ولتاژ در سرتاسر بار از نظر شکل (اما نه از نظر بزرگی) با نمودار جریان از طریق سیم پیچ مطابقت دارد (زیرا در یک اتصال سری جریان عبوری از عناصر مختلف مدار یکسان است). بنابراین، اگر از یک لامپ به عنوان بار استفاده کنیم، آنها بلافاصله پس از بستن کلید روشن نمی شوند، بلکه با کمی تاخیر (مطابق با نمودار فعلی) روشن می شوند.

یک فرآیند گذرا مشابه در مدار با باز شدن کلید مشاهده خواهد شد. یک emf خود القایی در سلف ایجاد می شود، اما جریان القایی در صورت مدار باز در همان جهت جریان در مدار هدایت می شود و نه در جهت مخالف، بنابراین انرژی ذخیره شده سلف برای حفظ جریان در مدار استفاده می شود:

پس از باز شدن کلید، یک emf خود القایی رخ می دهد که از کاهش جریان عبوری از سیم پیچ جلوگیری می کند، بنابراین جریان بلافاصله به صفر نمی رسد، بلکه پس از مدتی به صفر می رسد. ولتاژ در سیم پیچ از نظر شکل با حالت بسته شدن کلید یکسان است، اما در علامت مخالف است. این به این دلیل است که تغییر در جریان و بر این اساس emf خود القایی در حالت اول و دوم از نظر علامت مخالف است (در حالت اول جریان افزایش می یابد و در حالت دوم کاهش می یابد).

به هر حال، من اشاره کردم که بزرگی EMF خود القایی مستقیماً با نرخ تغییر جریان متناسب است، بنابراین ضریب تناسب چیزی بیش از اندوکتانس سیم پیچ نیست:

این با سلف ها در مدارهای DC به پایان می رسد و به ادامه می رسد مدارهای AC.

مداری را در نظر بگیرید که در آن جریان متناوب به سلف داده می شود:

بیایید به وابستگی EMF جریان و خود القایی به زمان نگاه کنیم، و سپس متوجه خواهیم شد که چرا آنها به این شکل هستند:

همانطور که قبلاً فهمیدیم emf خود القا شدهما یک علامت مستقیم نسبت و مخالف نرخ تغییر جریان داریم:

در واقع نمودار این وابستگی را به ما نشان می دهد :) خودتان ببینید - بین نقاط 1 و 2 جریان تغییر می کند و هر چه به نقطه 2 نزدیکتر باشد تغییرات کوچکتر است و در نقطه 2 برای مدت کوتاهی جریان تغییر نمی کند. به تمام معنی آن بر این اساس، نرخ تغییر جریان در نقطه 1 حداکثر است و با نزدیک شدن به نقطه 2 به آرامی کاهش می‌یابد و در نقطه 2 برابر با 0 است که در آن مشاهده می‌کنیم. نمودار emf خود القا شده. علاوه بر این، در کل بازه 1-2، جریان افزایش می یابد، به این معنی که نرخ تغییر آن مثبت است، و بنابراین EMF در کل این بازه، برعکس، مقادیر منفی می گیرد.

به همین ترتیب بین نقاط 2 و 3 - جریان کاهش می یابد - سرعت تغییر جریان منفی و افزایش می یابد - emf خود القایی افزایش می یابد و مثبت می شود. بخش‌های باقی‌مانده نمودار را توضیح نمی‌دهم - همه فرآیندها در آنجا طبق یک اصل پیش می‌روند :)

علاوه بر این، در نمودار می توانید یک نکته بسیار مهم را متوجه شوید - با افزایش جریان (بخش های 1-2 و 3-4)، emf و جریان خود القایی دارند. نشانه های مختلف(section 1-2: , title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="12" width="39" style="vertical-align: 0px;">, участок 3-4: title="ارائه شده توسط 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 !} حقیقت جالب- سلف در برابر جریان متناوب عبوری از مدار مقاومت می کند. یعنی مقاومتی دارد که القایی یا واکنشی نامیده می شود و به صورت زیر محاسبه می شود:

فرکانس دایره ای کجاست: . - این .

بنابراین، هرچه فرکانس جریان بیشتر باشد، سلف مقاومت بیشتری به آن ارائه می دهد. و اگر جریان ثابت باشد (= 0)، پس راکتانس سیم پیچ 0 است، بر این اساس، تاثیری بر جریان جاری ندارد.

بیایید به نمودارهای خود که برای مورد استفاده از سلف در مدار AC ساختیم برگردیم. ما emf خود القایی سیم پیچ را تعیین کرده ایم، اما ولتاژ آن چقدر خواهد بود؟ همه چیز در اینجا در واقع ساده است :) طبق قانون دوم Kirchhoff:

و در نتیجه:

بیایید وابستگی جریان و ولتاژ مدار را به زمان بر روی یک نمودار رسم کنیم:

همانطور که می بینید، جریان و ولتاژ در فاز () نسبت به یکدیگر جابجا می شوند و این یکی از مهمترین خواصمدارهای AC که از سلف استفاده می کنند:

هنگامی که یک سلف به یک مدار جریان متناوب وصل می شود، یک تغییر فاز در مدار بین ولتاژ و جریان ظاهر می شود، با یک چهارم پریود جریان با ولتاژ خارج از فاز است.

بنابراین ما متوجه شدیم که چگونه سیم پیچ را به مدار AC وصل کنیم :)

این جایی است که احتمالاً مقاله امروز را به پایان خواهیم رساند؛ قبلاً معلوم شده است که بسیار طولانی است، بنابراین دفعه بعد گفتگوی خود را در مورد سلف ها ادامه خواهیم داد. بنابراین به زودی شما را می بینیم، ما خوشحال خواهیم شد که شما را در وب سایت خود ببینیم!

بار الکتریکی متحرک یک میدان مغناطیسی در فضای اطراف ایجاد می کند. جریان الکترون هایی که از یک هادی عبور می کنند، میدان مغناطیسی در اطراف هادی ایجاد می کند. اگر یک سیم فلزی را به صورت حلقه در اطراف یک میله بپیچید، یک سیم پیچ به دست می آید. معلوم می شود که میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط چنین سیم پیچی دارای خواص جالب و مهمتر از همه مفید است.

چرا میدان مغناطیسی رخ می دهد؟

خواص مغناطیسی برخی از مواد که به آنها امکان جذب اجسام فلزی را می دهد از زمان های قدیم شناخته شده است. اما ما فقط توانستیم به درک ماهیت این پدیده نزدیک شویم اوایل XIXقرن. با قیاس با بارهای الکتریکی، تلاش هایی برای توضیح اثرات مغناطیسی با استفاده از بارهای مغناطیسی خاص (دوقطبی) صورت گرفته است. در سال 1820، هانس ارستد، فیزیکدان دانمارکی، کشف کرد که یک سوزن مغناطیسی زمانی که جریان الکتریکی از یک هادی نزدیک آن عبور می کند، منحرف می شود.

در همان زمان، محقق فرانسوی، آندره آمپر، ثابت کرد که دو هادی که به موازات یکدیگر قرار دارند، هنگامی که جریان الکتریکی از آنها در یک جهت عبور می کنند، باعث جذب متقابل می شوند و اگر جریان ها در جهات مختلف هدایت شوند، دافعه ایجاد می کنند.

برنج. 1. آزمایش آمپر با سیم های حامل جریان. سوزن قطب نما در نزدیکی سیم حامل جریان

بر اساس این مشاهدات، آمپر به این نتیجه رسید که برهمکنش جریان با یک سوزن، جاذبه (و دافعه) سیم ها و آهنرباهای دائمی با یکدیگر را می توان توضیح داد اگر فرض کنیم که میدان مغناطیسی با حرکت بارهای الکتریکی ایجاد می شود. علاوه بر این، آمپر یک فرضیه جسورانه را مطرح کرد که بر اساس آن جریان های مولکولی بدون میرا در داخل ماده وجود دارد که علت پیدایش یک میدان مغناطیسی ثابت است. سپس تمام پدیده های مغناطیسی را می توان با برهمکنش حرکت توضیح داد بارهای الکتریکی، و هیچ بار مغناطیسی خاصی وجود ندارد.

مدل ریاضی (نظریه) که با کمک آن می توان مقدار میدان مغناطیسی و نیروی برهمکنش را محاسبه کرد، توسط فیزیکدان انگلیسی جیمز ماکسول ایجاد شد. از معادلات ماکسول که پدیده‌های الکتریکی و مغناطیسی را با هم ترکیب می‌کردند، نتیجه گرفت:

• میدان مغناطیسی فقط در نتیجه حرکت بارهای الکتریکی ایجاد می شود.
• یک میدان مغناطیسی ثابت در اجسام مغناطیسی طبیعی وجود دارد، اما حتی در این مورد نیز علت میدان، حرکت مداوم جریان‌های مولکولی (گرداب‌ها) در جرم ماده است.
• یک میدان مغناطیسی نیز می تواند با استفاده از یک میدان الکتریکی متناوب ایجاد شود، اما این موضوع در مقالات بعدی ما مورد بحث قرار خواهد گرفت.

میدان مغناطیسی یک سیم پیچ جریان

سیم فلزی که به صورت حلقه بر روی هر میله استوانه ای (چوبی، پلاستیکی و غیره) پیچیده شده است، یک سیم پیچ الکترومغناطیسی است. سیم باید عایق باشد، یعنی با نوعی عایق (لاک یا بافته پلاستیکی) پوشانده شود تا از اتصال کوتاه پیچ های مجاور جلوگیری شود. در نتیجه جریان جریان، میدان‌های مغناطیسی همه پیچ‌ها با هم جمع می‌شوند و معلوم می‌شود که کل میدان مغناطیسی سیم‌پیچ با جریان یکسان (کاملاً مشابه) با میدان مغناطیسی یک آهنربای دائمی است.

برنج. 2. میدان مغناطیسی سیم پیچ و آهنربای دائمی.

در داخل سیم پیچ، میدان مغناطیسی مانند یک آهنربای دائمی یکنواخت خواهد بود. از بیرون، خطوط میدان مغناطیسی یک سیم پیچ حامل جریان را می توان با استفاده از براده های فلزی کوچک تشخیص داد. خطوط میدان مغناطیسی بسته هستند. بر اساس قیاس با سوزن مغناطیسی قطب نما، یک سیم پیچ با جریان دارای دو قطب است - جنوب و شمال. خطوط برقاز قطب شمال سرچشمه می گیرد و به قطب جنوب ختم می شود.

برای سیم پیچ های حامل جریان، نام های اضافی و جداگانه ای وجود دارد که بسته به کاربرد مورد استفاده قرار می گیرد:

• سلف، یا به سادگی - اندوکتانس. این اصطلاح در مهندسی رادیو استفاده می شود.
• دریچه گاز(دریچه گاز - تنظیم کننده، محدود کننده). مورد استفاده در مهندسی برق؛
• شیر برقی. این کلمه مرکب از دو کلمه یونانی گرفته شده است: solen - کانال، لوله و eidos - مشابه). این نام برای سیم پیچ های ویژه با هسته های ساخته شده از آلیاژهای مغناطیسی خاص (فرومغناطیس) است که به عنوان مکانیزم های الکترومکانیکی استفاده می شود. برای مثال در استارت خودروها، شیر برقی همان شیر برقی است.

برنج. 3. سلف، سلف، سلونوئید

انرژی میدان مغناطیسی

سیم پیچ با جریان انرژی را از منبع تغذیه (باتری، آکومولاتور) ذخیره می کند که بیشتر است، جریان I و مقدار L بیشتر است که به آن اندوکتانس می گویند. انرژی میدان مغناطیسی یک سیم پیچ با جریان W با استفاده از فرمول محاسبه می شود:

$$ W = (( L*I^2)\ بیش از 2 ) $$

این فرمول شبیه فرمول انرژی جنبشی یک جسم است. اندوکتانس مشابه جرم یک جسم و جریان مشابه سرعت جسم است. انرژی مغناطیسی با مجذور جریان متناسب است، همانطور که انرژی جنبشی با مجذور سرعت متناسب است.

برای محاسبه مقدار اندوکتانس سیم پیچ، وجود دارد فرمول زیر:

$$ L = μ *((N^2*S)\over l_k) $$

N تعداد چرخش های سیم پیچ است.

S سطح مقطع سیم پیچ است.

l k طول سیم پیچ است.

μ - نفوذپذیری مغناطیسی ماده هسته - مقدار مرجع. هسته یک میله فلزی است که در داخل سیم پیچ قرار گرفته است. این به شما امکان می دهد تا اندازه میدان مغناطیسی را به میزان قابل توجهی افزایش دهید.

ما چه آموخته ایم؟

بنابراین، ما آموخته ایم که میدان مغناطیسی تنها در نتیجه حرکت بارهای الکتریکی به وجود می آید. میدان مغناطیسی یک سیم پیچ حامل جریان مشابه میدان مغناطیسی آهنربای دائمی است. انرژی میدان مغناطیسی سیم پیچ را می توان با دانستن قدرت جریان I و اندوکتانس L محاسبه کرد.

در مورد موضوع تست کنید

ارزیابی گزارش

میانگین امتیاز: 4 . مجموع امتیازهای دریافتی: 52.