Od najvećeg praktičnog interesa je magnetsko polje zavojnice kojom teče struja. Slika 97 prikazuje zavojnicu koja se sastoji od veliki broj zavoji žice namotani na drveni okvir. Kada postoji struja u svitku, strugotine željeza privlače se na njegove krajeve; kada se struja isključi, otpadaju.

Riža. 97. Privlačenje željeznih strugotina strujnim svitkom

Ako se svitak s strujom objesi na tanke i savitljive vodiče, postavit će se na isti način kao i magnetska igla kompasa. Jedan kraj zavojnice bit će okrenut prema sjeveru, a drugi prema jugu. To znači da zavojnica sa strujom, poput magnetske igle, ima dva pola - sjeverni i južni (slika 98).

Riža. 98. Stupovi svitka struje

Oko zavojnice kojom teče struja postoji magnetsko polje. Ono se, kao i polje istosmjerne struje, može detektirati pomoću piljevine (slika 99). Magnetske linije magnetskog polja zavojnice kojom teče struja također su zatvorene krivulje. Općenito je prihvaćeno da su izvan zavojnice usmjereni u stranu Sjeverni pol zavojnice prema jugu (vidi sliku 99).

Riža. 99. Magnetski vodovi strujnog svitka

Zavojnice kroz koje prolazi struja naširoko se koriste u tehnologiji kao magneti. Pogodni su jer se magnetsko djelovanje može se mijenjati (ojačati ili oslabiti) u širokim granicama. Pogledajmo načine na koje to možete učiniti.

Na slici 97 prikazan je pokus u kojem se promatra djelovanje magnetskog polja zavojnice sa strujom. Ako zavojnicu zamijenite drugom, s većim brojem zavoja žice, tada će uz istu jakost struje privući više željeznih predmeta. Sredstva, Magnetski učinak zavojnice kojom teče struja je jači veći broj okreće se u njemu.

Spojimo reostat na krug u kojem se nalazi zavojnica (slika 100) i njime mijenjamo jakost struje u zavojnici. Povećanjem struje pojačava se djelovanje magnetskog polja strujnog svitka, a smanjenjem struje slabi..

Riža. 100. Djelovanje magnetskog polja zavojnice

Također se pokazalo da se magnetski učinak zavojnice kojom teče struja može znatno pojačati bez promjene broja zavoja ili jakosti struje u njoj. Da biste to učinili, morate umetnuti željeznu šipku (jezgru) unutar zavojnice. Željezo uneseno u zavojnicu pojačava magnetski učinak zavojnice(Slika 101).

Riža. 101. Djelovanje magnetskog polja zavojnice sa željeznom jezgrom

Zavojnica sa željeznom jezgrom unutra naziva se elektromagnet.

Elektromagnet je jedan od glavnih dijelova mnogih tehničkih uređaja. Na slici 102 prikazan je elektromagnet u obliku luka koji drži armaturu (željeznu ploču) s obješenim teretom.

Riža. 102. Elektromagnet u obliku luka

Elektromagneti imaju široku primjenu u tehnologiji zbog svojih izvanrednih svojstava. Brzo se razmagnetiziraju kada se struja isključi, ovisno o namjeni mogu se izraditi u različitim veličinama, dok elektromagnet radi, njegovo magnetsko djelovanje može se podešavati promjenom jakosti struje u zavojnici.

Elektromagneti velike podizne sile koriste se u tvornicama za nošenje proizvoda od čelika ili lijevanog željeza, kao i čeličnih i lijevanih željeznih strugotina i ingota (slika 103).

Riža. 103. Primjena elektromagneta

Na slici 104 prikazan je presjek magnetskog separatora zrna. U zrno se umiješaju vrlo fine strugotine željeza. Ova piljevina se ne lijepi za glatka zrna zdravih žitarica, ali se lijepi za zrnce korova. Zrna 1 izlijevaju se iz lijevka na rotirajući bubanj 2. Unutar bubnja nalazi se jak elektromagnet 5. On privlačeći čestice željeza 4 uklanja zrna korova iz toka zrna 3 i na taj način čisti zrno od korova i slučajnih ozljeda. uhvaćeni željezni predmeti.

Riža. 104. Magnetski separator

Elektromagneti se koriste u telegrafu, telefonu i mnogim drugim uređajima.

Pitanja

1. U kojem je smjeru postavljena zavojnica kojom teče struja obješena na dugačke tanke vodiče? Kakve sličnosti ima s magnetskom iglom?
2. Na koji način se može pojačati magnetski učinak zavojnice kojom teče struja?
3. Kako se zove elektromagnet?
4. Za koje se svrhe elektromagneti koriste u tvornicama?
5. Kako radi magnetski separator zrna?

Vježba 41

1. Potrebno je izgraditi elektromagnet čija se sila podizanja može podesiti bez promjene dizajna. Kako to učiniti?
2. Što treba učiniti da se promijeni magnetski polovi zavojnice sa strujom suprotnih smjerova?
3. Kako izgraditi jak elektromagnet ako je konstruktoru postavljen uvjet da struja u elektromagnetu bude relativno mala?
4. Elektromagneti koji se koriste u dizalici imaju ogromnu snagu. Elektromagneti koji se koriste za uklanjanje zalutale željezne strugotine iz očiju vrlo su slabi. Na koji način se ta razlika postiže?

Vježbajte

Vodič kroz koji teče električna struja stvara magnetsko polje koje karakterizira vektor napona `H(slika 3). Snaga magnetskog polja pokorava se principu superpozicije

i, prema Biot-Savart-Laplaceovom zakonu,

Gdje ja– jakost struje u vodiču, – vektor koji ima duljinu elementarnog segmenta vodiča i usmjeren je u smjeru struje, `r– radijus vektor koji povezuje element s predmetnom točkom P.

Jedna od najčešćih konfiguracija vodiča s strujom je zavojnica u obliku prstena polumjera R (slika 3, a). Magnetsko polje takve struje u ravnini koja prolazi kroz os simetrije ima oblik (vidi sliku 3, b). Polje kao cjelina mora imati rotacijsku simetriju u odnosu na os z (slika 3, b), a same linije polja moraju biti simetrične u odnosu na ravninu petlje (ravnina xy). Polje u neposrednoj blizini vodiča će nalikovati polju u blizini duge ravne žice, jer je ovdje utjecaj udaljenih dijelova petlje relativno mali. Na osi kružne struje polje je usmjereno duž osi Z.

Izračunajmo jakost magnetskog polja na osi prstena u točki koja se nalazi na udaljenosti z od ravnine prstena. Pomoću formule (6) dovoljno je izračunati z-komponentu vektora:

. (7)

Integrirajući po cijelom prstenu, dobivamo òd l= 2p R. Jer, prema Pitagorinom teoremu r 2 = R 2 + z 2 , tada je traženo polje u točki na osi jednako po veličini

. (8)

Smjer vektora `H može se usmjeriti prema pravilu desnog vijka.

U središtu prstena z= 0 i formula (8) pojednostavljuje:

Zanima nas kratki kolut– cilindrični namotaj žice koji se sastoji od N zavoji istog radijusa. Zbog osne simetrije i u skladu s principom superpozicije, magnetsko polje takvog svitka na H osi je algebarski zbroj polja pojedinih zavoja H ja: . Dakle, magnetsko polje kratke zavojnice koja sadrži N k zavoja, u proizvoljnoj točki na osi izračunava se pomoću formula

, , (10)

Gdje H– napetost, B– indukcija magnetskog polja.

Magnetsko polje solenoida sa strujom

Za izračunavanje indukcije magnetskog polja u solenoidu koristi se teorem o cirkulaciji vektora magnetske indukcije:

, (11)

Gdje - algebarski zbroj struje obuhvaćene strujnim krugom L slobodan oblik, n– broj vodiča sa strujom obuhvaćenim krugom. U tom se slučaju svaka struja uzima u obzir onoliko puta koliko je puta obuhvaćena strujnim krugom, a pozitivnom se smatra struja čiji smjer čini desni sustav sa smjerom kretanja po strujnom krugu. - element strujnog kruga L.

Primijenimo teorem o kruženju vektora magnetske indukcije na solenoid duljine l imajući N sa zavojima s jakošću struje ja(slika 4). U proračunu uzimamo u obzir da je gotovo cijelo polje koncentrirano unutar solenoida (zanemarujemo rubne efekte) i jednolično je. Tada će formula 11 imati oblik:

,

odakle nalazimo indukciju magnetskog polja koju stvara struja unutar solenoida:

Riža. 4. Solenoid sa strujom i njegovo magnetsko polje

Dijagram instalacije

Riža. 5 Shematski električni dijagram instalacije

1 – mjerač indukcije magnetskog polja (teslametar), A – ampermetar, 2 – spojna žica, 3 – mjerna sonda, 4 – Hallov senzor*, 5 – predmet istraživanja (kratka zavojnica, ravni vodič, solenoid), 6 – izvor struje, 7 – ravnalo za fiksiranje položaja senzora, 8 – držač sonde.

* – princip rada senzora temelji se na fenomenu Hallovog efekta (vidi laboratorijski rad br. 15 Proučavanje Hallovog efekta)

Radni nalog

1. Proučavanje magnetskog polja kratkog svitka

1.1. Uključite uređaje. Prekidači za napajanje i teslametar nalaze se na stražnjim pločama.

1.2. Kao predmet koji se proučava 5 (vidi sliku 5), ugradite kratku zavojnicu u držač i spojite je na izvor struje 6.

1.3. Postavite regulator napona na izvoru 6 u srednji položaj. Postavite jakost struje na nulu podešavanjem izlazne struje na izvoru 6 i pratite ampermetrom (vrijednost bi trebala biti nula).

1.4. Upotrijebite regulatore za grubo 1 i fino ugađanje 2 (slika 6) kako biste postigli nula očitanja na teslametru.

1.5. Postavite držač s mjernom sondom na ravnalo u položaj pogodan za očitavanje - npr. na koordinatu 300 mm. Ubuduće ovu poziciju uzmite kao nulu. Tijekom postavljanja i tijekom mjerenja, osigurajte paralelnost između sonde i ravnala.

1.6. Postavite držač s kratkom zavojnicom tako da Hallov senzor 4 bude u sredini zavoja zavojnice (slika 7). Za to koristite stezni vijak za podešavanje visine na držaču mjerne sonde. Ravnina zavojnice mora biti okomita na sondu. U procesu pripreme mjerenja pomaknite držač s ispitnim uzorkom, ostavljajući mjernu sondu nepomičnom.

1.7. Uvjerite se da dok se Teslametar zagrijava, njegova očitanja ostanu jednaka nuli. Ako to nije učinjeno, postavite teslametar na nula očitanja pri nultoj struji u uzorku.

1.8. Postavite struju u kratkom svitku na 5 A (podešavanjem izlaza na izvoru napajanja 6, Constanter/Netzgerät Universal).

1.9. Izmjerite magnetsku indukciju B exp na osi zavojnice ovisno o udaljenosti do središta zavojnice. Da biste to učinili, pomaknite držač mjerne sonde duž ravnala, održavajući paralelnost u izvornom položaju. Negativne vrijednosti z odgovara pomaku sonde u područje manjih koordinata od početnog, i obrnuto - pozitivne vrijednosti z - u području velikih koordinata. Unesite podatke u tablicu 1.

Tablica 1 Ovisnost magnetske indukcije na osi kratke zavojnice o udaljenosti do središta zavojnice

1.10. Ponoviti točke 1.2 – 1.7.

1.11. Izmjerite ovisnost indukcije u središtu zavoja o struji koja prolazi kroz svitak. Unesite podatke u tablicu 2.

Tablica 2. Ovisnost magnetske indukcije u središtu kratkog svitka o jakosti struje u njemu

2. Proučavanje magnetskog polja solenoida

2.1. Kao ispitni objekt 5, postavite solenoid na metalnu klupu podesivu po visini od nemagnetskog materijala (slika 8).

2.2. Ponoviti 1.3 – 1.5.

2.3. Podesite visinu stola tako da mjerna sonda prolazi duž osi simetrije solenoida, a Hallov senzor bude u sredini zavoja solenoida.

2.4. Ponovite korake 1.7 – 1.11 (ovdje se koristi solenoid umjesto kratke zavojnice). Unesite podatke u tablicu 3 odnosno 4. U tom slučaju odredite koordinatu središta solenoida na sljedeći način: ugradite Hall senzor na početak solenoida i fiksirajte koordinatu držača. Zatim pomičite držač duž ravnala duž osi solenoida sve dok kraj senzora ne bude na drugoj strani solenoida. Popravite koordinatu držača u ovom položaju. Koordinata središta solenoida bit će jednaka aritmetičkoj sredini dviju izmjerenih koordinata.

Tablica 3. Ovisnost magnetske indukcije na osi solenoida o udaljenosti do njegova središta.

2.5. Ponoviti točke 1.3 – 1.7.

2.6. Izmjerite ovisnost indukcije u središtu solenoida o struji koja prolazi kroz zavojnicu. Unesite podatke u tablicu 4.

Tablica 4. Ovisnost magnetske indukcije u središtu solenoida o jakosti struje u njemu

3. Proučavanje magnetskog polja ravnog vodiča sa strujom

3.1. Kao predmet koji se proučava 5, instalirajte ravni vodič s strujom (slika 9, a). Da biste to učinili, spojite žice koje dolaze iz ampermetra i izvora napajanja jednu s drugom (kratko spojite vanjski strujni krug) i postavite vodič izravno na rub sonde 3 kod senzora 4, okomito na sondu (Sl. 9, b). Za podupiranje vodiča koristite metalnu klupu podesivu po visini izrađenu od nemagnetskog materijala s jedne strane sonde i držač za ispitne uzorke s druge strane (priključak vodiča može se umetnuti u jednu od utičnica držača za više pouzdana fiksacija ovog vodiča). Dajte dirigentu ravan oblik.

3.2. Ponoviti točke 1.3 – 1.5.

3.3. Odrediti ovisnost magnetske indukcije o jakosti struje u vodiču. Izmjerene podatke unesite u tablicu 5.

Tablica 5. Ovisnost magnetske indukcije koju stvara ravni vodič o jakosti struje u njemu

4. Određivanje parametara proučavanih objekata

4.1. Odredite (po potrebi izmjerite) i zabilježite u tablici 6 podatke potrebne za izračune: N do– broj zavoja kratkog svitka, R– njegov radijus; N s– broj zavoja solenoida, l– njegova dužina, L– njegov induktivitet (označen na solenoidu), d– njegov promjer.

Tablica 6. Parametri ispitivanih uzoraka

N Do	R	N S	d	l	L

Obrada rezultata

1. Pomoću formule (10) izračunajte magnetsku indukciju koju stvara kratki svitak s strujom. Podatke upiši u tablice 1 i 2. Na temelju podataka iz tablice 1 konstruiraj teorijsku i eksperimentalnu ovisnost magnetske indukcije na osi kratkog svitka o udaljenosti z do središta svitka. Konstruirati teorijske i eksperimentalne ovisnosti u istim koordinatnim osima.

2. Na temelju podataka iz tablice 2. konstruirajte teorijsku i eksperimentalnu ovisnost magnetske indukcije u središtu kratkog svitka o jakosti struje u njemu. Konstruirati teorijske i eksperimentalne ovisnosti u istim koordinatnim osima. Izračunajte jakost magnetskog polja u središtu svitka kada je struja u njemu 5 A pomoću formule (10).

3. Pomoću formule (12) izračunajte magnetsku indukciju koju stvara solenoid. Podatke upiši u tablice 3 i 4. Na temelju podataka iz tablice 3 konstruiraj teorijsku i eksperimentalnu ovisnost magnetske indukcije na osi solenoida o udaljenosti z od njegova središta. Konstruirati teorijske i eksperimentalne ovisnosti u istim koordinatnim osima.

4. Na temelju podataka iz tablice 4. konstruirajte teorijsku i eksperimentalnu ovisnost magnetske indukcije u središtu solenoida o jakosti struje u njemu. Konstruirati teorijske i eksperimentalne ovisnosti u istim koordinatnim osima. Izračunajte jakost magnetskog polja u središtu solenoida kada je struja u njemu 5 A.

5. Na temelju podataka iz tablice 5. konstruirajte eksperimentalnu ovisnost magnetske indukcije koju stvara vodič o jakosti struje u njemu.

6. Na temelju formule (5) odrediti najkraća udaljenost r o od senzora do vodiča kroz koji teče struja (ova udaljenost je određena debljinom izolacije vodiča i debljinom izolacije senzora u sondi). Rezultate izračuna unesite u tablicu 5. Izračunajte aritmetičku sredinu r o, usporedite s vizualno promatranom vrijednošću.

7. Izračunajte induktivitet solenoida L. Rezultate izračuna unesite u tablicu 4. Usporedite dobivenu prosječnu vrijednost L s fiksnom vrijednošću induktiviteta u tablici 6. Za izračun koristite formulu, gdje Y– spoj fluksa, Y = N sa BS, Gdje U– magnetska indukcija u solenoidu (prema tablici 4), S= str d 2/4 - površina poprečnog presjeka solenoida.

Kontrolna pitanja

1. Što je Biot-Savart-Laplaceov zakon i kako ga primijeniti pri proračunu magnetskih polja vodiča sa strujom?

2. Kako se određuje smjer vektora H u Biot-Savart-Laplaceov zakon?

3. Kako su međusobno povezani vektori magnetske indukcije? B i napetosti H između sebe? Koje su njihove mjerne jedinice?

4. Kako se Biot-Savart-Laplaceov zakon koristi za izračunavanje magnetskih polja?

5. Kako se u ovom radu mjeri magnetsko polje? Koji fizički fenomen na principu mjerenja magnetskog polja?

6. Definirajte induktivitet, magnetski tok, spoj toka. Navedite mjerne jedinice za te veličine.

bibliografija

obrazovna literatura

1. Kalašnjikov N.P. Osnove fizike. M.: Bustard, 2004. T. 1

2. Saveljev I.V.. Tečaj fizike. M.: Nauka, 1998. T. 2.

3. Detlaf A.A.,Yavorsky B.M. Tečaj fizike. M.: postdiplomske studije, 2000.

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

5. Yavorsky B.M.,Detlaf A.A. Priručnik iz fizike. M.: Nauka, 1998.

Stvara magnetsko polje oko sebe. Osoba ne bi bila sama da nije shvatila kako koristiti tako divno svojstvo struje. Na temelju te pojave čovjek je stvorio elektromagnete.

Njihova je primjena vrlo raširena i sveprisutna u moderni svijet. Elektromagneti su izvanredni jer se, za razliku od permanentnih magneta, po potrebi mogu paliti i gasiti, a jakost magnetskog polja oko njih se može mijenjati. Kako se koriste? magnetska svojstva Trenutno? Kako se stvaraju i koriste elektromagneti?

Magnetsko polje strujnog svitka

Kao rezultat pokusa, bilo je moguće saznati da se magnetsko polje oko vodiča s strujom može pojačati ako se žica namota u obliku spirale. Ispada neka vrsta zavojnice. Magnetsko polje takve zavojnice puno je veće od magnetskog polja jednog vodiča.

Štoviše, linije magnetskog polja zavojnice kojom teče struja smještene su na sličan način kao linije polja konvencionalnog pravokutnog magneta. Zavojnica ima dva pola i divergentne lukove magnetske linije duž zavojnice. Takav magnet se može uključiti i isključiti u bilo kojem trenutku, odnosno uključiti i isključiti struju u žicama zavojnice.

Načini utjecaja na magnetske sile zavojnice

Međutim, pokazalo se da strujna zavojnica ima i druga izvanredna svojstva. Što se zavojnica sastoji od više zavoja, magnetsko polje postaje jače. To vam omogućuje prikupljanje magneta različite snage. Međutim, ima ih još jednostavnih načina utjecaj na veličinu magnetskog polja.

Dakle, kada se struja u žicama zavojnice povećava, povećava se jakost magnetskog polja, i obrnuto, kada se struja smanjuje, magnetsko polje slabi. Odnosno, jednostavnim spajanjem reostata dobivamo podesivi magnet.

Magnetsko polje zavojnice kojom teče struja može se značajno pojačati uvođenjem željezne šipke unutar zavojnice. Zove se jezgra. Korištenje jezgre omogućuje vam stvaranje vrlo moćnih magneta. Na primjer, u proizvodnji koriste magnete koji mogu podići i držati nekoliko desetaka tona težine. To se postiže na sljedeći način.

Jezgra je savijena u obliku luka, a na njena dva kraja su postavljene dvije zavojnice kroz koje prolazi struja. Zavojnice su spojene 4e žicama tako da im se polovi poklapaju. Jezgra pojačava njihovo magnetsko polje. Odozdo je na ovu konstrukciju pričvršćena ploča s kukom na koju je obješen teret. Takvi se uređaji koriste u tvornicama i lukama za premještanje vrlo teških tereta. Ovi se utezi lako spajaju i odspajaju prilikom uključivanja i isključivanja struje u zavojnicama.

Elektromagneti i njihova primjena

Elektromagneti se tako široko koriste da je možda teško imenovati elektromehanički uređaj u kojem se ne koriste. Vrata na ulazima drže elektromagneti.

Elektromotori u raznim uređajima pretvaraju električnu energiju u mehaničku pomoću elektromagneta. Zvuk u zvučnicima stvara se pomoću magneta. A ovo je daleko od toga puni popis. Velika količina pogodnosti modernog života duguje svoje postojanje korištenju elektromagneta.

Dobrodošli svima na našu web stranicu!

Nastavljamo učiti elektronika od samog početka, odnosno od samih osnova, a bit će i tema današnjeg članka princip rada i glavne karakteristike induktora. Gledajući unaprijed, reći ću da ćemo prvo raspravljati o teoretskim aspektima, a nekoliko budućih članaka bit će u potpunosti posvećeno razmatranju različitih električnih krugova koji koriste induktore, kao i elemente koje smo proučavali ranije u našem tečaju - i.

Dizajn i princip rada induktora.

Kao što je već jasno iz naziva elementa, induktor je prije svega samo zavojnica :), tj. veliki broj zavoja izoliranog vodiča. Štoviše, prisutnost izolacije je najvažniji uvjet - zavoji zavojnice ne bi trebali međusobno kratko spojiti. Najčešće se zavoji namotavaju na cilindrični ili toroidni okvir:

Najvažnija karakteristika induktori je, naravno, induktivitet, inače zašto bi dobio takav naziv :) Induktivitet je sposobnost pretvaranja energije električno polje u energiju magnetskog polja. Ovo svojstvo svitka je zbog činjenice da kada struja teče kroz vodič, oko njega se pojavljuje magnetsko polje:

A evo kako izgleda magnetsko polje koje se pojavljuje kada struja prolazi kroz zavojnicu:

Općenito, strogo govoreći, svaki element u strujni krugČak i običan komad žice ima induktivitet. Ali činjenica je da je veličina takve induktivnosti vrlo beznačajna, za razliku od induktivnosti zavojnica. Zapravo, kako bi se okarakterizirala ova vrijednost, koristi se mjerna jedinica Henry (H). 1 Henri je zapravo vrlo velika vrijednost, pa se najčešće koriste µH (mikrohenri) i mH (milihenri). Veličina induktivnost zavojnice se mogu izračunati pomoću sljedeće formule:

Hajde da shvatimo koja je vrsta vrijednosti uključena u ovaj izraz:

Iz formule slijedi da s povećanjem broja zavoja ili, na primjer, promjera (i, sukladno tome, površine poprečnog presjeka) svitka, povećava se induktivitet. I kako se duljina povećava, smanjuje se. Dakle, zavoje na zavojnici treba postaviti što bliže jedan drugome, jer će to dovesti do smanjenja duljine zavojnice.

S induktorski uređaj shvatili smo, vrijeme je da razmotrimo fizičke procese koji se događaju u ovom elementu prilikom prolaska električna struja. Da bismo to učinili, razmotrit ćemo dva kruga - u jednom ćemo propustiti istosmjernu struju kroz zavojnicu, au drugom - izmjeničnu struju :)

Dakle, prije svega, shvatimo što se događa u samoj zavojnici kada teče struja. Ako struja ne mijenja svoju vrijednost, tada zavojnica nema utjecaja na nju. Znači li to da u slučaju istosmjerne struje ne treba razmatrati upotrebu induktora? Ali ne :) Uostalom, istosmjerna struja se može uključiti/isključiti, a upravo se u trenucima prebacivanja događa sve najzanimljivije. Pogledajmo strujni krug:

U ovom slučaju, otpornik djeluje kao opterećenje, na njegovom mjestu može biti, na primjer, svjetiljka. Osim otpornika i induktiviteta, u strujnom krugu nalazi se istosmjerni izvor i sklopka kojom ćemo sklop zatvarati i otvarati.

Što se događa u trenutku kada zatvorimo prekidač?

Struja zavojnice počet će se mijenjati, budući da je u prethodnom trenutku bila jednaka 0. Promjena struje dovest će do promjene magnetskog toka unutar zavojnice, što će zauzvrat uzrokovati pojavu EMF-a (elektromotorne sile) samoindukcije, koja se može izraziti na sljedeći način:

Pojava EMF-a će dovesti do pojave inducirane struje u zavojnici, koja će teći u smjeru suprotnom od smjera struje izvora napajanja. Dakle, samoinducirana emf će spriječiti protok struje kroz zavojnicu (inducirana struja će poništiti struju kruga zbog činjenice da su njihovi smjerovi suprotni). To znači da će u početnom trenutku vremena (odmah nakon zatvaranja sklopke) struja kroz zavojnicu biti jednaka 0. U ovom trenutku EMF samoindukcije je maksimalan. Što će se sljedeće dogoditi? Jer EMF vrijednost je izravno proporcionalna brzini promjene struje, tada će postupno slabiti, a struja će se, prema tome, naprotiv, povećati. Pogledajmo grafikone koji ilustriraju ono o čemu smo razgovarali:

U prvom grafikonu vidimo ulazni napon kruga– krug je u početku otvoren, ali kada se sklopka zatvori, pojavljuje se konstantna vrijednost. U drugom grafikonu vidimo promjena struje kroz zavojnicu induktivnost. Neposredno nakon zatvaranja sklopke, struja je odsutna zbog pojave EMF-a samoindukcije, a zatim počinje postupno rasti. Napon na zavojnici je, naprotiv, maksimalan u početnom trenutku vremena, a zatim opada. Grafikon napona preko opterećenja podudarat će se oblikom (ali ne i veličinom) s grafikonom struje kroz zavojnicu (budući da je u serijskom spoju struja koja teče kroz različite elemente kruga ista). Dakle, ako koristimo lampu kao opterećenje, one se neće upaliti odmah nakon zatvaranja sklopke, već s malim kašnjenjem (sukladno trenutnom grafikonu).

Sličan prijelazni proces u krugu će se primijetiti kada se ključ otvori. U induktoru će se pojaviti samoinduktivna emf, ali će inducirana struja u slučaju otvorenog kruga biti usmjerena u istom smjeru kao struja u krugu, a ne u suprotnom smjeru, stoga će pohranjena energija induktora koristit će se za održavanje struje u krugu:

Nakon otvaranja sklopke javlja se EMF samoindukcije koja sprječava smanjenje struje kroz zavojnicu, pa struja ne dolazi odmah do nule, već nakon nekog vremena. Napon u zavojnici je po obliku identičan slučaju zatvaranja sklopke, ali suprotnog predznaka. To je zbog činjenice da je promjena struje, a prema tome i samoinduktivna emf u prvom i drugom slučaju, suprotna u predznaku (u prvom slučaju struja raste, au drugom se smanjuje).

Usput, spomenuo sam da je veličina EMF-a samoindukcije izravno proporcionalna brzini promjene struje, tako da koeficijent proporcionalnosti nije ništa više od induktiviteta zavojnice:

Ovo završava s induktorima u istosmjernim krugovima i prelazi na AC krugovi.

Razmotrite krug u kojem se izmjenična struja dovodi do induktora:

Pogledajmo ovisnosti struje i EMF-a samoindukcije o vremenu, a zatim ćemo shvatiti zašto izgledaju ovako:

Kao što smo već saznali Samoinducirana emf imamo izravno proporcionalan i suprotan predznak brzine promjene struje:

Zapravo, grafikon nam pokazuje tu ovisnost :) Pogledajte sami - između točke 1 i 2 struja se mijenja, a što je bliže točki 2, promjene su manje, au točki 2 kratko vrijeme struja se ne mijenja uopće njegovo značenje. Prema tome, brzina promjene struje je najveća u točki 1 i glatko opada kako se približava točki 2, au točki 2 je jednaka 0, što vidimo u graf samoinducirane emf. Štoviše, tijekom cijelog intervala 1-2, struja se povećava, što znači da je stopa njezine promjene pozitivna, pa stoga EMF u cijelom ovom intervalu, naprotiv, poprima negativne vrijednosti.

Slično, između točaka 2 i 3 - struja opada - brzina promjene struje je negativna i raste - EMF samoindukcije raste i pozitivna je. Neću opisivati ​​preostale dijelove grafikona - tamo se svi procesi odvijaju po istom principu :)

Osim toga, na grafikonu možete primijetiti vrlo važnu točku - s povećanjem struje (odjeljci 1-2 i 3-4), emf samoindukcije i struja imaju različite znakove(odjeljak 1-2: , title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="12" width="39" style="vertical-align: 0px;">, участок 3-4: title="Prikazao 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 !} zanimljiva činjenica– induktor se opire izmjeničnoj struji koja teče kroz krug. To znači da ima otpor koji se naziva induktivni ili reaktivni i izračunava se na sljedeći način:

Gdje je kružna frekvencija: . - Ovo.

Stoga, što je veća frekvencija struje, to će joj induktor pružiti veći otpor. A ako je struja konstantna (= 0), tada je reaktancija zavojnice 0, prema tome nema utjecaja na struju koja teče.

Vratimo se našim grafikonima koje smo napravili za slučaj korištenja induktora u krugu izmjenične struje. Odredili smo emf samoindukcije zavojnice, ali koliki će biti napon? Ovdje je zapravo sve jednostavno :) Prema 2. Kirchhoffovom zakonu:

I posljedično:

Nacrtajmo ovisnost struje i napona u krugu o vremenu na jednom grafu:

Kao što vidite, struja i napon su pomaknuti u fazi () relativno jedan prema drugom, a ovo je jedan od najvažnija svojstva AC krugovi koji koriste induktor:

Kada se induktor spoji na krug izmjenične struje, u krugu se pojavljuje fazni pomak između napona i struje, pri čemu je struja izvan faze s naponom za četvrtinu perioda.

Pa smo shvatili kako spojiti zavojnicu na strujni krug izmjenične struje :)

Ovdje ćemo vjerojatno završiti današnji članak, već se pokazao prilično dugačkim, pa ćemo sljedeći put nastaviti razgovor o induktorima. Dakle, vidimo se uskoro, bit će nam drago vidjeti vas na našoj web stranici!

Pokretni električni naboj stvara magnetsko polje u okolnom prostoru. Tok elektrona koji prolazi kroz vodič stvara magnetsko polje oko vodiča. Ako metalnu žicu u prstenovima namotate oko šipke, dobit ćete zavojnicu. Ispada da magnetsko polje koje stvara takva zavojnica ima zanimljiva i, što je najvažnije, korisna svojstva.

Zašto nastaje magnetsko polje?

Magnetska svojstva nekih tvari, koja im omogućuju privlačenje metalnih predmeta, poznata su od davnina. Ali uspjeli smo se približiti razumijevanju suštine ovog fenomena tek u početkom XIX stoljeća. Po analogiji s električnim nabojima bilo je pokušaja objašnjenja magnetskih učinaka pomoću određenih magnetskih naboja (dipola). Godine 1820. danski fizičar Hans Oersted otkrio je da se magnetska igla skreće kada električna struja prolazi kroz vodič koji se nalazi blizu nje.

Istodobno je francuski istraživač Andre Ampere utvrdio da dva paralelna vodiča uzrokuju međusobno privlačenje kada kroz njih prolazi električna struja u jednom smjeru i odbijanje ako su struje usmjerene u različitim smjerovima.

Riža. 1. Ampereov pokus sa žicama kroz koje teče struja. Igla kompasa u blizini žice kojom teče struja

Na temelju tih opažanja Ampere je došao do zaključka da se međudjelovanje struje s iglom, međusobno privlačenje (i odbijanje) žica i trajnih magneta može objasniti ako se pretpostavi da magnetsko polje nastaje kretanjem električnih naboja. Osim toga, Ampere je iznio hrabru hipotezu prema kojoj unutar tvari postoje neprigušene molekularne struje koje su uzrok pojave konstantnog magnetskog polja. Tada se svi magnetski fenomeni mogu objasniti međudjelovanjem gibanja električni naboji, a nema posebnih magnetskih naboja.

Matematički model (teoriju), uz pomoć kojeg je postalo moguće izračunati veličinu magnetskog polja i silu međudjelovanja, razvio je engleski fizičar James Maxwell. Iz Maxwellovih jednadžbi, koje su kombinirale električne i magnetske pojave, slijedilo je sljedeće:

• Magnetsko polje nastaje samo kao rezultat kretanja električnih naboja;
• Stalno magnetsko polje postoji u prirodnim magnetskim tijelima, ali iu tom slučaju uzrok polja je kontinuirano kretanje molekularnih struja (vrtloga) u masi tvari;
• Magnetsko polje također se može stvoriti pomoću izmjeničnog električnog polja, ali o ovoj temi ćemo raspravljati u našim sljedećim člancima.

Magnetsko polje strujnog svitka

Metalna žica namotana u prstenima na bilo koju cilindričnu šipku (drvenu, plastičnu itd.) je elektromagnetska zavojnica. Žica mora biti izolirana, odnosno prekrivena nekom vrstom izolatora (lak ili plastična pletenica) kako bi se izbjegao kratki spoj susjednih zavoja. Kao rezultat protoka struje, magnetska polja svih zavoja se zbrajaju i ispada da je ukupno magnetsko polje zavojnice s strujom identično (potpuno slično) magnetskom polju trajnog magneta.

Riža. 2. Magnetsko polje zavojnice i trajnog magneta.

Unutar zavojnice, magnetsko polje će biti jednoliko, kao u trajnom magnetu. Izvana, linije magnetskog polja zavojnice kojom teče struja mogu se otkriti pomoću malih metalnih strugotina. Linije magnetskog polja su zatvorene. Po analogiji s magnetskom iglom kompasa, zavojnica s strujom ima dva pola - južni i sjeverni. Električni vodovi polaze sa Sjevernog pola i završavaju na Južnom polu.

Za zavojnice koje nose struju postoje dodatni, zasebni nazivi koji se koriste ovisno o primjeni:

• Induktor, ili jednostavno - induktivnost. Pojam se koristi u radiotehnici;
• gas(gas - regulator, limitator). Koristi se u elektrotehnici;
• Solenoid. Ova složenica dolazi od dvije grčke riječi: solen - kanal, cijev i eidos - sličan). Ovo je naziv za posebne zavojnice s jezgrama od posebnih magnetskih legura (feromagneti), koji se koriste kao elektromehanički mehanizmi. Na primjer, u pokretačima automobila, solenoid je solenoid.

Riža. 3. Induktori, induktor, solenoid

Energija magnetskog polja

Zavojnica sa strujom pohranjuje energiju iz izvora napajanja (baterija, akumulator) koja je to veća što je veća struja I i vrijednost L što se naziva induktivitet. Energija magnetskog polja zavojnice sa strujom W izračunava se pomoću formule:

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

Ova formula je slična formuli za kinetičku energiju tijela. Induktivitet je sličan masi tijela, a struja je slična brzini tijela. Magnetska energija proporcionalna je kvadratu struje, kao što je kinetička energija proporcionalna kvadratu brzine.

Za izračunavanje vrijednosti induktiviteta zavojnice postoji sljedeća formula:

$$ L = μ *((N^2*S)\preko l_k) $$

N je broj zavoja svitka;

S je površina poprečnog presjeka zavojnice;

l k je duljina zavojnice;

μ—magnetska propusnost materijala jezgre—referentna vrijednost. Jezgra je metalna šipka smještena unutar zavojnice. Omogućuje vam značajno povećanje magnitude magnetskog polja.

Što smo naučili?

Dakle, naučili smo da magnetsko polje nastaje samo kao rezultat kretanja električnih naboja. Magnetsko polje zavojnice kojom teče struja slično je magnetskom polju trajnog magneta. Energija magnetskog polja zavojnice može se izračunati poznavanjem jakosti struje I i induktiviteta L.

Test na temu

Ocjena izvješća

Prosječna ocjena: 4 . Ukupno primljenih ocjena: 52.