A mágnesszelep egy hengeres huzaltekercs. Elképzelhető, hogy sok egymásra helyezett kör alakú tekercs szállítja az áramot. A szolenoidban lévő elektromos áram által létrehozott mágneses erővonalak az ábrán láthatók. 6.6. Amint az ábrán látható, a mágnesszelep belsejében lévő erővonalak szinte egyenesek. Minél hosszabb a mágnesszelep, pl. minél nagyobb a hossza a sugarához képest, annál kisebb a szolenoidon belüli térvonalak görbülete. Ebben az esetben a vektor BAN BEN A szolenoid belsejében lévő mágneses indukciós mező a tengelyével párhuzamosan irányul. Ezen túlmenően az iránya a jobb oldali csavar szabálya szerint kapcsolódik a mágnesszelepben lévő áram irányához. Irányítsuk a tengelyt x a mágnesszelep tengelye mentén. Ebben az esetben a mágneses indukciós vektor vetülete a tengelyre x egyenlő lesz a modulusával, és az összes többi vetülete egyenlő lesz nullával:
Bx=B, By=Bz=0.
Helyettesítsük be ezeket a vektorvetületeket BAN BEN a (6.12) egyenletbe. Kapunk
Ebből az egyenlőségből következik, hogy a szolenoidon belül a mágneses indukciós vektor nemcsak irányát tartja meg, hanem nagysága mindenhol azonos. Így arra a következtetésre jutunk, hogy egy hosszú szolenoid belsejében a mágneses tér egyenletes.
Rizs. 6.6. Mágneses mágneses tér
Határozzuk meg a mágneses tér indukciós vektorának nagyságát a szolenoidon belül a (6.8) tétel segítségével ennek a vektornak a cirkulációján. C kontúrként, amely mentén a mágneses indukciós vektor körforgását számítjuk, a 2. ábrán szaggatott vonalat választjuk. 6.6. Ennek az l hosszúságú vonalnak egy szakasza a mágnesszelep belsejében található, és egybeesik az egyik mágneses erővonallal. Két, erre a szakaszra merőleges egyenes a végeinél kezdődik és a végtelenig tart. Ezen egyenesek minden pontján a mágneses indukciós vektor vagy merőleges rájuk (a mágnesszelepen belül), vagy egyenlő nullával (a mágnesszelepen kívül). Ezért a skalárszorzat Вdl ezeken a pontokon egyenlő nullával. Így a mágneses indukció keringése a vizsgált áramkör mentén VAL VEL egyenlő lesz az integrállal a mezővonal l hosszúságú szakaszán. Figyelembe véve azt a tényt, hogy a mágneses indukciós vektor nagysága állandó érték, akkor lesz
Legyen a C áramkör által lefedett mágnesszelep-fordulatok száma egyenlő N. Ebben az esetben az áramkör által lefedett áramok összege egyenlő lesz NI, Ahol én -áramerősség a mágnesszelep egy fordulatában. A (6.8) tétel az egyenlőséghez vezet
Вl = μ o NI,
amelyből megtaláljuk a mágneses tér indukcióját a szolenoidban:
В = μ o nI
n a mágnesszelep egységnyi hosszára eső fordulatok száma.
Egyenáramú mágneses tér
Tekintsük azt a mágneses teret, amelyet egy vékony, végtelenül hosszú vezetéken átfolyó elektromos áram hoz létre. Egy ilyen rendszernek hengeres szimmetriája van. Ennek eredményeként a mágneses mezőnek a következő tulajdonságokkal kell rendelkeznie:
1) az áramvezető vezetékkel párhuzamos bármely egyenesen a mágneses indukció vektorának mindenhol azonosnak kell lennie;
2) ha a teljes mágneses mezőt teljesen a vezeték körül forgatják, az nem változik. Ebben az esetben a mágneses tér erővonalai körök legyenek, amelyek középpontjai az árammal rendelkező vezeték tengelyén helyezkednek el (6.7. ábra), és a vektor BAN BEN ezen körök bármelyikén mindenhol ugyanaz a modulus.
A mágneses indukciós vektor cirkulációjára vonatkozó (6.8) tételt felhasználva megtaláljuk ennek a vektornak a modulusát. Ebből a célból kiszámítjuk a mágneses indukció keringését az egyik tápvezeték mentén VAL VEL, amelynek sugara egyenlő A. Mivel a vektor BAN BENérinti a mezővonalat, kollineáris a vektorelemhez dl ezt a sort. Ezért
Ahol BAN BEN a mágneses indukciós vektor nagysága, amely, mint mondtuk, a körön mindenhol megtalálható VAL VEL ugyanaz. Kivesszük BAN BEN az integráljelhez. Az integráció után meglesz
= BAN BEN 2p a
Rizs. 6.7. Egyenáramok mágneses térvonalai
Mivel az áramkör VAL VEL csak egy I áramú vezetéket fed le, a (6.8) tétel az egyenlőséghez vezet
2p a BAN BEN= μ o I
Innentől távolról azt találjuk A végtelenített egyenes vezetékből árammal én az általa létrehozott mágneses tér indukciója lesz
BAN BEN= μ o én/(2p a) (6,15)
ábrából látható. 6,7, vektor iránya BAN BENés az I áram irányát a jobb oldali csavarszabály határozza meg. Nem nehéz ellenőrizni, hogy ez valóban így van-e a Biot-Savart-Laplace törvény segítségével.
Az áramok kölcsönhatása
Tekintsünk két egymással párhuzamos vékony egyenes vezetéket I 1 és I 2 árammal (6.8. ábra). Ha a távolság R a vezetékek között sokkal kisebb, mint a hosszuk, akkor az első vezeték által ezen a távolságon létrehozott mező mágneses indukciója a (6.15) képlet segítségével meghatározható:
BAN BEN= μ o I 1 /(2p R)
Vektor irány BAN BEN
1
az áram irányával kapcsolatos én 1 jobb csavaros szabály. Ez a vektor az ábrán látható. 6.8.
Rizs. 6.8. Az áramok kölcsönhatása
Az első áram által létrehozott mágneses mező egy Amper erejével hat a második vezetékre F 21 , amelyet az (5.8) képlet határoz meg:
| (6.17) |
F21 = I 2[l 2 B 1 ]
Ahol l A 2. ábra egy vektor, amelynek hossza megegyezik a második vizsgált vezeték szakaszának l hosszával. Ez a vektor a vezeték mentén az áram irányába van irányítva. Az erőmodulus (6.17) lesz
F 21 = I 2 l B 1 . (6.18)
Ha a (6.16) kifejezést behelyettesítjük a (6.18) képletbe, a következő kifejezést kapjuk arra az erőre, amellyel az első huzal hat a második huzal l hosszúságú szakaszára:
F 21 = μ o I 1 I 2 l / (2p R)
Az erő iránya F 21 a (6.17) képlet segítségével találjuk meg. Amikor az I 1, I 2 áramok egy irányban áramlanak, ez az erő az első vezeték felé irányul. Kényszerítés F 12 , amellyel a második huzal az első huzal l hosszúságú szakaszára hat, egyenlő nagyságú és ellentétes az erővel F 21 .
Tehát megállapították, hogy az azonos irányú áramú párhuzamos vezetékek vonzzák egymást. Nem nehéz bebizonyítani, hogy az ellentétes irányú áramú vezetékek taszítják egymást.
A (6.19) képlet segítségével meghatározzuk az áram mértékegységét SI-ben. Mint tudják, ezt az egységet hívják amper.Értelemszerűen két hosszú vékony vezeték, amelyek áramerőssége egyenértékű amper, 1-es távolságban párhuzamosan helyezkedik el m egyik a másiktól 2 10-7 N/1 erővel kölcsönhatásba lép m hossz. Ha ezeket az értékeket behelyettesítjük a (6.19) képletbe, azt találjuk, hogy a mágneses állandó
m 0 = 4p 10 -7 N/m.
A töltés SI mértékegysége medál- áramegységben kifejezve: Cl = A*s. Két ponttöltés közötti kölcsönhatási erő mérése 1-ben Cl jelentéshez vezetett F= 9 10 9 N a töltések közötti távolságban R= 1 m. Ezeket az értékeket felhasználva megtaláljuk az elektromos állandót e 0 Coulomb törvényéből
F =| Q 1 Q 2 | /(4pe 0 R 2 )
Érdekes megjegyezni, hogy az érték
1/Öe 0 m 0 =3 10 8 m/s
számszerűen megegyezik a vákuumban lévő fénysebességgel.
A mágnesszelep huzalból készült hengeres tekercs, amelynek menetei egy irányban vannak feltekerve (223. ábra). A szolenoid mágneses tere több közelben elhelyezkedő, közös tengelyű köráram által létrehozott mezők hozzáadásának eredménye.
ábrán. A 223. ábra egy mágnesszelep négy menetét mutatja árammal. Ez az ábra azt mutatja, hogy a mágnesszelepen belül az egyes fordulatok erővonalai azonos irányúak, míg a szomszédos fordulatok között ellentétes irányúak, ezért a mágnesszelep kellően sűrű tekercselésével a szomszédos erővonalak ellentétes irányú szakaszai. fordulatok kölcsönösek
megsemmisül, és az egyformán irányított szakaszok egy közös zárt erővonalba egyesülnek, áthaladva a teljes mágnesszelepen belül, és kívülről beburkolják azt.
Egy hosszú szolenoid mágneses terének vasreszelékkel végzett részletes vizsgálata azt mutatja, hogy ennek a mezőnek a formája az 1. ábrán látható. 224. A szolenoidon belül a mező gyakorlatilag egyenletesnek bizonyul, a mágnestekercsen kívül inhomogén és viszonylag gyenge (itt nagyon kicsi a térvonalak sűrűsége).
A mágnesszelep külső tere hasonló a rúdmágnes mezejéhez (lásd 212. ábra). A mágneshez hasonlóan a mágnesszelepnek is van egy északi C pólusa, egy déli pólusa és egy semleges zónája.
A mágneses térerősséget egy hosszú szolenoid belsejében a képlet számítja ki
ahol I a mágnesszelep hossza, fordulatainak száma és a benne lévő áramerősség. A szorzatot általában amper-fordulatok számának nevezik
A (18) képlet egy speciális esete a térerősség kifejezésének egy véges hosszúságú mágnestekercs belsejében, amelyet viszont a következőképpen vezetünk le.
ábrán. A 225. ábra a mágnesszelep hosszmetszetét mutatja, a tengelyén átmenő függőleges síkkal. Az I mágnesszelep hossza, fordulatainak sugara, fordulatok száma, a mágnesszelepen áthaladó áramerősség,
Ha a mágnestekercset egymáshoz szorosan szomszédos fordulatok halmazának tekintjük (közös tengelyű köráramok, a mágneses térerősséget a szolenoid tengelyének A pontjában az összes fordulat erősségének összegeként határozzuk meg. , kiválasztjuk a mágnesszelep hosszának egy kis részét.
Fordulatokat tartalmaz. A (17) képlet szerint egy fordulat térerőssége Ezért a szakasz térerőssége egyenlő lesz
ábrából 225 világos, hogy Akkor ezeket a kifejezéseket helyettesítve be
(19) képletet és redukciókat végezve azt kapjuk
A tartomány utolsó kifejezését integrálva megkapjuk a teljes térerősséget az A pontban:
Az elektromos áram mágneses tere
Mágneses mezőt nemcsak természetes vagy mesterséges, hanem egy vezető is létrehoz, ha elektromos áram halad át rajta. Ezért van kapcsolat a mágneses és az elektromos jelenségek között.
Nem nehéz ellenőrizni, hogy mágneses mező keletkezik-e egy olyan vezető körül, amelyen keresztül áramlik. Helyezzen egy egyenes vezetőt a mozgó mágnestű fölé, azzal párhuzamosan, és engedjen át rajta elektromos áramot. A nyíl a vezetőre merőleges helyzetet vesz fel.
Milyen erők késztethetik a mágnestű elfordulását? Nyilvánvalóan a vezető körül keletkező mágneses tér erőssége. Kapcsolja ki az áramot, és a mágneses tű visszatér normál helyzetébe. Ez arra utal, hogy az áram kikapcsolásakor a vezető mágneses tere is eltűnt.
Így a vezetőn áthaladó elektromos áram mágneses mezőt hoz létre. A jobbkéz szabály segítségével megtudhatja, hogy a mágneses tű melyik irányba fog elmozdulni. Ha a jobb kezét a vezető fölé helyezi tenyérrel lefelé úgy, hogy az áram iránya egybeessen az ujjak irányával, akkor a behajlított hüvelykujj megmutatja a vezető alá helyezett mágnestű északi pólusának eltérítési irányát. . Ezzel a szabálysal és a nyíl polaritásának ismeretében meghatározhatja a vezetőben lévő áram irányát is.
Egyenes vezető mágneses tere koncentrikus kör alakú. Ha a jobb kezét a vezető fölé helyezi tenyérrel lefelé úgy, hogy az áram az ujjakon keresztül jön ki, akkor a meghajlított hüvelykujj a mágnestű északi pólusára mutat.Az ilyen mezőt körkörös mágneses térnek nevezzük.
A körkörös erővonalak iránya a vezetőtől függ, és az ún gimlet szabály. Ha gondolatban az áram irányába csavarja a kardánt, akkor fogantyújának forgási iránya egybeesik a mágneses erővonalak irányával. Ennek a szabálynak a alkalmazásával megtudhatja az áram irányát egy vezetőben, ha ismeri az áram által létrehozott mezővonalak irányát.
Visszatérve a mágnestűvel végzett kísérletre, meggyőződhetünk arról, hogy az északi végével mindig a mágneses erővonalak irányába helyezkedik el.
Így, Egy egyenes vezető körül mágneses mező keletkezik, amelyen elektromos áram halad át. Koncentrikus kör alakú, és körkörös mágneses mezőnek nevezik.
Savanyúság d. A szolenoid mágneses tere
Bármely vezető körül mágneses tér keletkezik, függetlenül annak alakjától, feltéve, hogy elektromos áram halad át a vezetőn.
Az elektrotechnikában több menetből állókkal foglalkozunk. A minket érdeklő tekercs mágneses mezejének tanulmányozásához először nézzük meg, milyen alakú az egyik fordulat mágneses tere.
Képzeljünk el egy vastag dróttekercset, amely átszúr egy kartonlapot, és egy áramforráshoz csatlakozik. Amikor elektromos áram halad át egy tekercsen, a tekercs minden egyes része körül körkörös mágneses tér jön létre. A „gimlet” szabály szerint nem nehéz megállapítani, hogy a tekercsen belüli mágneses erővonalak azonos irányúak (felénk vagy tőlünk távolodva, attól függően, hogy a tekercsben mekkora áram folyik), és kilépnek. a tekercs egyik oldaláról, és lépjen be a másik oldalra. Az ilyen, spirál alakú fordulatok sorozata az ún mágnesszelep (tekercs).
A mágnesszelep körül, amikor az áram áthalad rajta, mágneses mező képződik. Ezt az egyes fordulatok mágneses mezőinek hozzáadásával kapják, és olyan alakúak, mint egy egyenes mágnes mágneses tere. A szolenoid mágneses terének erővonalai, mint egy egyenes mágnesnél, elhagyják a szolenoid egyik végét és visszatérnek a másikhoz. A mágnesszelep belsejében ugyanaz az irány. Így a mágnesszelep végei polaritással rendelkeznek. A vég, ahonnan az erővonalak kirajzolódnak északi sark mágnesszelep, és a vége, amelybe az elektromos vezetékek belépnek, a déli pólus.
Mágnespólusok alapján határozható meg jobb kéz szabálya, de ehhez ismerni kell az áram irányát a fordulataiban. Ha a jobb kezét a mágnesszelepre helyezi tenyérrel lefelé úgy, hogy az áram az ujjakon keresztül jön ki, akkor a behajlított hüvelykujj a mágnesszelep északi pólusára mutat.. Ebből a szabályból az következik, hogy a mágnesszelep polaritása a benne lévő áram irányától függ. Gyakorlatilag nem nehéz ezt úgy ellenőrizni, hogy a mágnesszelep egyik pólusára mágnestűt viszünk, majd a mágnesszelepben az áram irányát megváltoztatjuk. A nyíl azonnal 180°-kal elfordul, vagyis azt jelzi, hogy a mágnesszelep pólusai megváltoztak.
A mágnesszelepnek megvan az a tulajdonsága, hogy könnyű vas tárgyakat von be. Ha a szolenoid belsejébe egy acélrudat helyeznek, akkor egy idő után a szolenoid mágneses mezőjének hatására a rúd mágnesezetté válik. Ezt a módszert a gyártásban használják.
Elektromágnesek
Ez egy tekercs (szolenoid), benne vasmaggal. Az elektromágnesek alakja és mérete változatos, de általános felépítése mindegyiknek ugyanaz.
Az elektromágneses tekercs egy keret, leggyakrabban préselt fából vagy rostból készül, és az elektromágnes rendeltetésétől függően különböző formájú. A szigetelt rézhuzal több rétegben van feltekerve a keretre - az elektromágnes tekercselése. Különböző fordulatszámú, és különböző átmérőjű huzalból készül, az elektromágnes rendeltetésétől függően.
A tekercsszigetelés mechanikai sérülésektől való védelme érdekében a tekercset egy vagy több réteg papírral vagy más szigetelőanyaggal borítják. A tekercs elejét és végét ki kell hozni és a keretre szerelt kimeneti kapcsokra, vagy a végén füles flexibilis vezetékekre csatlakoztatni.
Az elektromágneses tekercs lágy, lágyított vasból vagy szilíciummal, nikkellel stb. készült vasötvözetből készült magra van felszerelve. Az ilyen vasban van a legkisebb maradék. A magok leggyakrabban kompozit vékony lemezekből készülnek, amelyeket egymástól szigetelnek. A magok alakja az elektromágnes rendeltetésétől függően eltérő lehet.
Ha egy elektromágnes tekercsén elektromos áramot vezetünk át, akkor a tekercs körül mágneses tér képződik, amely mágnesezi a magot. Mivel a mag lágyvasból készült, azonnal mágneses lesz. Ha ezután kikapcsolja az áramot, a mag mágneses tulajdonságai is gyorsan eltűnnek, és megszűnik mágnes lenni. Az elektromágnes pólusait a mágnesszelephez hasonlóan a jobbkéz szabály határozza meg. Ha megváltoztatja az elektromágnes tekercsét, akkor az elektromágnes polaritása ennek megfelelően változik.
Az elektromágnes hatása hasonló az állandó mágneshez. Azonban nagy különbség van köztük. Az állandó mágnes mindig mágneses tulajdonságokkal rendelkezik, az elektromágnes pedig csak akkor, ha elektromos áram halad át a tekercsén.
Ezenkívül az állandó mágnes vonzóereje állandó, mivel az állandó mágnes mágneses fluxusa állandó. Az elektromágnes vonzási ereje nem állandó érték. Ugyanaz az elektromágnes különböző vonzóerőkkel rendelkezhet. Bármely mágnes vonzóereje a mágneses fluxusának nagyságától függ.
A vonzás ereje, és így a mágneses fluxusa az elektromágnes tekercsén áthaladó áram nagyságától függ. Minél nagyobb az áramerősség, annál nagyobb az elektromágnes vonzóereje, és fordítva, minél kisebb az áram az elektromágnes tekercsében, annál kisebb erővel vonzza magához a mágneses testeket.
De az eltérő szerkezetű és méretű elektromágnesek vonzási ereje nem csak a tekercsben lévő áram nagyságától függ. Ha például veszünk két azonos kialakítású és méretű elektromágnest, de az egyiket kis tekercsfordulatszámmal, a másikat pedig sokkal nagyobb számmal, akkor könnyen belátható, hogy azonos áramerősség mellett az utóbbi sokkal nagyobb lesz. Valójában minél nagyobb egy tekercs menetszáma, annál nagyobb a mágneses tér, amely adott áram mellett e tekercs körül jön létre, mivel az minden menet mágneses mezőiből áll. Ez azt jelenti, hogy az elektromágnes mágneses fluxusa és így vonzási ereje annál nagyobb lesz, minél nagyobb a tekercselés fordulatszáma.
Van egy másik ok, amely befolyásolja az elektromágnesek mágneses fluxusának nagyságát. Ez a mágneses áramkör minősége. A mágneses áramkör az az út, amelyen a mágneses fluxus zárva van. A mágneses áramkörnek van egy bizonyos mágneses ellenállás. A mágneses reluktancia annak a közegnek a mágneses permeabilitásától függ, amelyen a mágneses fluxus áthalad. Minél nagyobb ennek a közegnek a mágneses permeabilitása, annál kisebb a mágneses ellenállása.
Mivel a m A ferromágneses testek (vas, acél) mágneses permeabilitása sokszorosa a levegő mágneses permeabilitásának, ezért kifizetődőbb úgy elektromágneseket készíteni, hogy azok mágneses köre ne tartalmazzon légszakaszokat. Az elektromágneses tekercs áramerősségének és fordulatszámának szorzatát ún magnetomotoros erő. A mágneses erőt az amper-fordulatok számában mérjük.
Például egy elektromágnes tekercsén 50 mA áram halad át 1200 fordulattal. M magnetomotoros erő olyan elektromágnes egyenlő 0,05 x 1200 = 60 amper-fordulattal.
A magnetomotoros erő hatása hasonló az elektromotoros erő hatásához az elektromos áramkörben. Ahogy az EMF elektromos áramot okoz, a magnetomotoros erő mágneses fluxust hoz létre az elektromágnesben. Ahogy az elektromos áramkörben az emf növekedésével az áramérték növekszik, úgy a mágneses áramkörben a magnetomotoros erő növekedésével a mágneses fluxus növekszik.
Akció mágneses ellenállás hasonló az elektromos ellenállás hatásához egy áramkörben. Ahogy az áramerősség csökken az elektromos áramkör ellenállásának növekedésével, úgy csökken az áram a mágneses áramkörben is. A mágneses ellenállás növekedése a mágneses fluxus csökkenését okozza.
Az elektromágnes mágneses fluxusának a magnetomotoros erőtől és mágneses ellenállásától való függése az Ohm-törvény képletéhez hasonló képlettel fejezhető ki: magnetomotoros erő = (mágneses fluxus / mágneses ellenállás)
A mágneses fluxus egyenlő a magnetomotoros erővel osztva a mágneses reluktanciával.
A tekercs fordulatszáma és az egyes elektromágnesek mágneses ellenállása állandó érték. Ezért egy adott elektromágnes mágneses fluxusa csak a tekercsen áthaladó áram változásával változik. Mivel az elektromágnes vonzási erejét a mágneses fluxusa határozza meg, az elektromágnes vonzási erejének növelése (vagy csökkentése) érdekében ennek megfelelően növelni (vagy csökkenteni) kell a tekercsében lévő áramot.
Polarizált elektromágnes
A polarizált elektromágnes az állandó mágnes és az elektromágnes közötti kapcsolat. Így van kialakítva. Egy állandó mágnes pólusaira úgynevezett lágyvas pólushosszabbításokat rögzítenek. Minden pólushosszabbítás egy elektromágnes magjaként szolgál egy tekercsre szerelve. Mindkét tekercs sorosan csatlakozik egymáshoz.
Mivel a pólushosszabbítások közvetlenül az állandó mágnes pólusaihoz csatlakoznak, mágneses tulajdonságokkal rendelkeznek még akkor is, ha a tekercsekben nincs áram; Ugyanakkor vonzási erejük állandó, és egy állandó mágnes mágneses fluxusa határozza meg.
A polarizált elektromágnes működése az, hogy amikor az áram áthalad a tekercselésein, pólusainak vonzóereje a tekercsekben áramló áram nagyságától és irányától függően nő vagy csökken. Más elektromágnesek működése a polarizált elektromágnes ezen tulajdonságán alapul. elektromos eszközök.
A mágneses mező hatása az áramvezetőre
Ha egy vezetőt mágneses térbe helyezünk úgy, hogy az merőlegesen helyezkedjen el az erővonalakra, és elektromos áramot vezetünk át ezen a vezetőn, a vezető mozogni kezd, és kiszorul a mágneses térből.
A mágneses tér és az elektromos áram kölcsönhatása következtében a vezető mozogni kezd, azaz az elektromos energia mechanikai energiává alakul.
Az az erő, amellyel a vezető kiszorul a mágneses térből, függ a mágnes mágneses fluxusának nagyságától, a vezetőben lévő áram erősségétől és a vezető azon részének hosszától, amelyet a térvonalak metszenek. Ennek az erőnek az iránya, azaz a vezető mozgási iránya a vezetőben lévő áram irányától függ, és a bal kéz szabály.
Ha úgy tartja a bal keze tenyerét, hogy a mágneses erővonalak belépjenek, és a kinyújtott négy ujj a vezetőben lévő áram iránya felé néz, akkor a hajlított hüvelykujj jelzi a vezető mozgásának irányát. Ennek a szabálynak az alkalmazásakor emlékeznünk kell arra, hogy a mezővonalak a mágnes északi pólusából jönnek ki.
9. sz. laboratóriumi munka
A mágnestekercs mágneses terének tanulmányozása
1. A munka célja
Véges szolenoid mágneses téreloszlásának vizsgálata az elektromágneses indukció jelenségével .
2. Rövid elméleti bevezetés
A mágnesszelep egy hengeres tekercs, amelynek tekercselése nagyszámú huzalfordulatból áll, amelyek csavarvonalat alkotnak. Ha a fordulatok szorosan helyezkednek el, akkor a mágnesszelepet sorosan kapcsolt köráramok rendszerének tekinthetjük, amelyeknek közös tengelye van. A mágneses tér indukciója a szolenoid bármely pontjában megegyezik az adott pontban az összes fordulat által létrehozott mágneses térindukciók vektorösszegével. A mágneses indukciós vektor egy véges méretű mágnesszelep tengelyén fekvő pontban a tengely mentén irányul, és értékét a következő képlettel számítjuk ki:
, (1)
Ahol L- mágnesszelep hossza, R– fordulatainak sugara,
x– távolság a mágnesszelep szélétől a vizsgált pontig,
én- a fordulatokon átfolyó áram erőssége,
n a mágnesszelep egységnyi hosszára eső fordulatok száma,
A közeg relatív mágneses permeabilitása,
μ0 - mágneses állandó.
A mágneses tér indukciójának SI mértékegysége a „Tesla”: [B] = T
Az (1) kifejezésből az következik, hogy a mágneses tér indukciója a mágnesszelep tengelyén a középpontjának megfelelő pontban a legnagyobb:
. (2)
Ha a mágnesszelep hossza sokkal nagyobb, mint a fordulatainak sugara, akkor a mágnesszelep végtelenül hosszúnak tekinthető. A végtelenül hosszú szolenoid belsejében a mágneses tér egyenletes, indukciója egyenlő:
. (3)
A véges hosszúságú szolenoid mágneses téreloszlása bonyolultabb, mint a végtelen hosszúságú szolenoid legegyszerűbb esete. Sok más mágneses térkonfiguráció esetén, amelyek elméleti kiszámítása nehézkes, célszerű a mágneses indukciót kísérleti úton meghatározni.
Az érték mérhető például az elektromágneses indukció jelenségével. Ha egy kis áramkört helyezünk el a mágneses tér egy bizonyos pontján, akkor az ezen az áramkörön áthatoló mágneses fluxus változásaival az utóbbiban e jelenik meg. d.s., indukció, elektromágneses indukció (Faraday törvénye), rendelkezünk:
Ebben a munkában egy mérőtekercset (IC) használnak áramkörként, amely nagyszámú N fordulatból áll. A benne fellépő emisszió. d.s. az indukció e. d.s. egyéni fordulatok, pl.
, (5)
ahol S az IR keresztmetszete.
Ha a mágnesszelep tekercsében váltakozó áram folyik, akkor az ezen áram által keltett mágneses tér is váltakozó, azaz.
, (6)
ahol B0 a mágneses indukció amplitúdója,
– a váltakozó áram ciklikus frekvenciája.
Az (5) és (6) képletből az következik, hogy pl. d.s. indukció, IR útmutatás, időbeli változások a törvény szerint:
e = e0 sin(wt) (7)
ahol e0 az e amplitúdóértéke. d.s., egyenlő
e0 = NSwB0 = kB0 , (8)
Az együtthatót a mérőberendezés kalibrációs állandójának nevezzük. Kísérletileg meghatározható.
Az e mérésére használt voltmérő. d.s. Az e indukció az e amplitúdóértékhez tartozó U váltakozó feszültség effektív értékét mutatja. d.s. (e0) a következő összefüggéssel:
https://pandia.ru/text/80/314/images/image011_30.gif" width="92" height="26"> . (10)
A (9) és (10) képletből az következik, hogy az IR helyzetének bármely pontján az effektív feszültség és a mágnesszelep közepén lévő maximális effektív érték aránya egyenlő az ezen a ponton lévő mágneses indukció arányával. a maximális mágneses indukció a mágnesszelep közepén:
. (11)
Ezért a szolenoid mágneses térindukciójának eloszlása a k mérőberendezés kalibrációs állandójának kiszámítása nélkül is tanulmányozható.
3. A kísérleti elrendezés leírása.
A vizsgált mágnesszelep belsejében a skálán csúszó mutatós rúd segítségével a mérőtekercs elmozdulhat. A tekercs tengelye párhuzamos a mágnesszelep tengelyével. Az IR a mágnesszelep tengelyére merőleges irányban is mozgatható. A telepítés az 1. ábrán látható elektromos séma szerint történik. A mágnestekercs váltóárammal van ellátva, amelyet ampermérővel mérnek és reosztáttal változtatnak. E.m.f. Az IR-ben fellépő indukciót voltmérővel mérjük. Ez az e effektív értéke. d.s. a mágneses tér indukciójának amplitúdóértékéhez tartozó indukció az IR helyén a (9) képlet szerint.
A mérések lecsökkentik az IR helyének a mágnesszelephez viszonyított koordinátáit és az e értékét. d.s. ennek a pozíciónak megfelelő indukció.
4.Munkafeladat
Feladat 4.1. Véges szolenoid mágneses térindukciójának eloszlása.
4.1.1. Szereljen össze egy elektromos áramkört az 1. ábra diagramja szerint
4.1.2. Állítsa a mágnesszelep tekercsben a rögzített áramot 1,5 A-re.
4.1.3. Az IR szolenoidhoz viszonyított helyzetének megváltoztatásával mérje meg az e. d.s. indukció. Az IR-t el kell mozgatni a mágnesszelep tengelye mentén 2 cm-rel, rögzítve a voltmérő leolvasását minden koordinátához a 4.1. táblázatban.
4.1.4..gif" width="84" height="45">, (1), (2) számítási képletekkel. Hasonlítsa össze a kísérleti és elméleti függéseket, értékelje a mérések szisztematikus hibáját!
4.1. táblázat.
Feladat 4.2. A mágneses indukció nagyságának függése a mágnesszelepben lévő áramerősségtől.
4.2.1. Helyezze az IR-t a mágnesszelep közepére, ahol a mágneses tér maximális.
4.2.2. A mágnesszelep különböző áramértékeihez mérje meg az e. d.s. IR-ben indukált indukció. Ugyanazon áramértékek esetén számítsa ki a mágneses indukció értékeit a végső mágnesszelep közepén a (2) képlet segítségével. A mérések és számítások eredményeit írja be a 4.2 táblázatba.
4.2.3. Készítse el, lehetőleg a legkisebb négyzetek módszerével, a 0 függőség grafikonját " style="border-collapse:collapse;border:none">
Mágneses áram, Ic, A
E.m.f. indukció
Mágneses tér indukció
Mérési határ
Műszerolvasás
Jelenlegi érték
Vmax, 10-3 T
|
1. ábra A kísérleti elrendezés elektromos diagramja
Feladat 4.3. Véges szolenoid mágneses térindukciójának sugárirányú eloszlása.
4.3.1. Szerelje fel az IR-t a mágnesszelep szélére.
4.3.2. Állítsa a mágnesszelep tekercsben a rögzített áramot 1,5 A-re.
4.3.3. Az IR-t a mágnesszelep tengelyére merőleges irányba mozgatva mérje meg az e-t. d.s. indukció. Az IR-t 0,5 cm-rel el kell mozdítani, és rögzíteni kell a 4.3. táblázatban az egyes koordináták voltmérőjét.
4.3.4. A mérőberendezés kalibrációs állandó értékének ismeretében számítsa ki a mágneses tér indukció értékét minden koordinátára a (9) képlet segítségével.
4.3.5. Ábrázoljuk B = f(x) grafikonját.
4.3.6. Szerelje be az IR-t a mágnesszelep közepére.
4.3.7. Ehhez az IR pozícióhoz hajtsa végre a 4.3.4.-4.3.6.
4.3.8. Jegyezze fel füzetébe a következő állandó mennyiségeket: a mágnesszelep hossza, átmérője, fordulatainak száma, mérőtekercs hossza, átmérője, fordulatainak száma.
4.3. táblázat.
A melléklet tartalmaz egy programot a laboratóriumi munka eredményeinek számítógépen történő feldolgozására. Kísérleti adatok bevitelekor ügyeljen arra, hogy azokat SI-egységekre konvertálja.
5. Biztonsági kérdések
5.1. Mi az a mágneses tér indukció?
5.2. Milyen módszereket ismer a mágneses indukció mérésére?
5.3. Mi az elektromágneses indukció jelensége?
5.4. Lehetséges DC forrást használni ehhez a munkához?
5.5. Milyen természetű az e. d.s. indukció IR-ben?
5.6. Vezesse le egy végtelen hosszú mágneses tér indukciójának képletét!
5.7. Mekkora a mágneses indukció értékeinek aránya egy végtelen hosszú szolenoidon belül és egy félvégtelen mágnesszelep végén?
5.8. Mi az elfogultság forrása?
6.Irodalom
6.1. Kalasnyikov.-M.: Nauka, 1977.
6.2. Sivukhin fizika tanfolyam.-M.: Nauka, 1977.
6.3. Matveev és a mágnesesség. -M.: Felsőiskola, 1991.
6.4. , Általános fizika Malov: Elektromosság és mágnesesség - M.: Oktatás, 1980.
Zártak, ami azt jelzi, hogy a természetben nincsenek mágneses töltések. Azokat a mezőket, amelyek mezővonalai zártak, hívjuk örvénymezők. Vagyis a mágneses tér örvénymező. Ez eltér a töltések által létrehozott elektromos tértől.
Szolenoid.
Szolenoid- Ez egy drótspirál árammal.
A mágnesszelepet a hosszegységenkénti fordulatok száma jellemzi n, hossza lés átmérőjű d. A szolenoidban lévő huzal vastagsága és a spirál menetemelkedése (spirálvonal) kicsi az átmérőjéhez képest dés hossza l. A „szolenoid” kifejezést tágabb értelemben is használják - így nevezik azokat a tekercseket, amelyek tetszőleges keresztmetszetűek (négyzet alakú mágnesszelep, téglalap alakú mágnesszelep), és nem feltétlenül hengeres alakúak (toroid mágneses). Megkülönböztetni hosszú mágnesszelep (l ≫ d) És rövid mágnesszelep (l ≪ d). Azokban az esetekben, amikor a kapcsolat között dÉs l nincs külön megjelölve, hosszú mágnesszelepről van szó.
A mágnesszelepet 1820-ban A. Ampere találta fel, hogy fokozza az X. Oersted által felfedezett és D. Arago által az acélrudak mágnesezésével kapcsolatos kísérletekben használt áram mágneses hatását. A szolenoid mágneses tulajdonságait Ampere kísérletileg tanulmányozta 1822-ben (ugyanakkor bevezette a „szolenoid” kifejezést). Megállapították a mágnesszelep és az állandó természetes mágnesek egyenértékűségét, ami megerősítette Ampere elektrodinamikai elméletét, amely a mágnesességet a testekben elrejtett gyűrűs molekuláris áramok kölcsönhatásával magyarázta.
Mágneses mágneses erővonalak:
Ezen vonalak irányát a segítségével határozzuk meg a jobb kéz második szabálya.
Ha a jobb tenyerével összefogja a mágnesszelepet, négy ujját az áram mentén irányítva a kanyarokban, akkor a kinyújtott hüvelykujj jelzi a mágneses vonalak irányát a szolenoid belsejében.
Ha összehasonlítjuk a szolenoid mágneses terét egy állandó mágnes mezőjével (ábra lent), láthatjuk, hogy nagyon hasonlóak.
Mint egy mágnesnek, a mágnesszelepnek két pólusa van - északi ( N) és déli ( S). Az Északi-sark az, ahonnan mágneses vonalak emelkednek ki; a déli sarkon lépnek be. A mágnesszelep északi pólusa mindig azon az oldalon található, amelyre a tenyér hüvelykujja mutat, amikor a jobb kéz második szabályának megfelelően helyezkedik el.
Mágnesként egy tekercs formájú, nagy fordulatszámú mágnesszelepet használnak.
A szolenoid mágneses terének vizsgálatai azt mutatják, hogy a szolenoid mágneses hatása növekszik az áramerősség és a szolenoid fordulatszámának növekedésével. Ezen túlmenően a mágnestekercs vagy az áramvezető tekercs mágneses hatását fokozzuk, ha vasrudat vezetünk bele, ami ún. mag.
Elektromágnesek.
A modern elektromágnesek több tíz tonna súlyú terheket is képesek felemelni. A gyárakban nehéz vas- és acéltermékek mozgatásakor használják. Az elektromágneseket a mezőgazdaságban és más iparágakban is használják számos növény szemének megtisztítására a gyomoktól.
