Kvant. Катушка в м. поле — PhysBook

Майер В., Майер Р. Катушка, вращающаяся в магнитном поле //Квант. — 2004. — № 4. — С. 17-18,37.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала «Квант»

Установленный Фарадеем закон электромагнитной индукции говорит о том, что ЭДС индукции, возникающая в проводящем витке, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через виток:

\(~\varepsilon = -\frac{d \Phi}{dt}. \qquad (1)\)

Чтобы экспериментально обосновать справедливость этой формулы, нужно уметь измерять ЭДС индукции и скорость изменения магнитного потока. Последнее кажется наиболее трудным, так как нет доступных приборов, позволяющих определить величину магнитного потока.

А что если виток вращать в однородном постоянном магнитном поле? Тогда магнитный поток через него будет периодически изменяться, и скорость этого изменения нетрудно определить по угловой скорости вращения витка. Попробуем исследовать и реализовать эту идею.

Элементы теории

Пусть виток вращается округ оси, лежащей в его плоскости и проходящей через центр витка. Если индукция однородного магнитного поля В, а угловая скорость вращения витка ω, то магнитный поток через виток изменяется по закону

\(~\Phi = BS \cos \omega t, \qquad (2)\)

где S — площадь витка (здесь за начало отсчета времени принят момент, когда вектор нормали к витку \(~\vec n\) сонаправлен с вектором индукции \(~\vec B\)). В этом случае ЭДС индукции равна

\(~\varepsilon = -\frac{d \Phi}{dt} = BS \omega \sin \omega t = \varepsilon_m \sin \omega t. \qquad (3)\)

Построим график зависимости ЭДС индукции ε от угла поворота ωt витка, вращение которого происходит против часовой стрелки, в полярной системе координат (рис. 1). В начальный момент времени

t = 0, при котором векторы нормали \(~\vec n\) и индукции \(~\vec B\) сонаправлены, ЭДС индукции равна нулю. В момент, когда виток повернется на угол \(~\omega t = \frac{\pi}{2}\), ЭДС индукции достигает максимального значения ε_m. При произвольном угле поворота ωt ЭДС индукции равна \(~\varepsilon = \varepsilon_m \sin \omega t\). Именно такой отрезок нужно отложить на радиусе-векторе (нормали к витку) полярной системы координат, чтобы построить одну из точек А требуемого графика.

Рис. 1

Из рисунка 1 видно, что точка А вместе с точками О и С обозначают вершины прямоугольного треугольника

ОАС. Значит, все точки строящегося графика лежат на окружности, диаметром которой является гипотенуза ОС треугольника ОАС. Продолжая рассуждения, приходим к выводу, что полный график представляет собой две окружности одинакового диаметра ε_m, проходящие через начало координат О и расположенные симметрично относительно оси В.

Идея эксперимента

Понятно, что эксперимент, подтверждающий изложенную теорию, нужно проводить не с отдельным витком, а с катушкой, состоящей из множества витков, так как это увеличит ЭДС индукции и значительно снизит требования к чувствительности измерительных приборов. Возникающая в катушке из

N витков ЭДС индукции в N раз больше, чем для одного витка:

\(~\varepsilon = -N \frac{d \Phi}{dt} = NBS \omega \sin \omega t = \varepsilon_m \sin \omega t. \qquad (4)\)

Как убедиться в том, что действительно на концах катушки возникает ЭДС индукции, изменяющаяся по закону (4)? Для этого к выводам катушки можно подключить электроизмерительный прибор или, что лучше, осциллограф и исследовать генерируемое напряжение. Однако сделать это не так- то просто: катушка вращается, поэтому для соединения ее выводов с измерительным прибором придется использовать коллектор из пары колец и щеток. А там где щетки — там плохой контакт и связанные с этим всякого рода сложности и неприятности. Вот почему мы предлагаем измерительный прибор разместить непосредственно на вращающейся катушке. В качестве такого прибора удобно использовать светодиод, который своим свечением и яркостью покажет наличие ЭДС индукции и позволит оценить ее величину.

Разберемся, что именно можно увидеть с помощью светодиода. Напомним, что светодиод — это малоинерционный полупроводниковый источник света, который зажигается при определенном пороговом напряжении U₀. В той же полярной системе координат, что и раньше (см. рис. 1), построим график напряжения зажигания светодиода. Очевидно, это окружность радиусом U₀ с центром в начале координат О (рис. 2). Светодиод зажигается, когда ЭДС индукции превышает напряжение зажигания, т.е. когда

ε > U₀. На рисунке 2 жирными линиями выделены те части графика напряжения зажигания, которые удовлетворяют этому неравенству.

Рис. 2

Светодиод закрепим на конце катушки на расстоянии R от ее центра. Тогда при вращении катушки он будет описывать окружность радиусом R и загорится, когда ЭДС индукции превысит его порог зажигания. Однако, при повороте катушки на угол π знак ЭДС индукции изменится на противоположный, и светодиод погаснет, поскольку обладает односторонней проводимостью. Чтобы пронаблюдать наличие ЭДС индукции и в этом случае, на конце катушки рядом с первым закрепим второй светодиод, включенный в противоположном направлении. Кроме того, выберем светодиоды разного цвета, например красный и зеленый, чтобы по окраске свечения сразу можно было судить о знаке ЭДС индукции.

Такая катушка со светодиодами при вращении в магнитном поле обозначит две симметричные дуги разного цвета (см. рис. 2). Отрезок между концами светящихся дуг, очевидно, имеет длину \(~MN = 2R \sin \omega t\). Из треугольника ОАС видно, что \(~\sin \omega t = \frac{U_0}{\varepsilon_m}\), поэтому получаем

\(~MN = 2R \frac{U_0}{\varepsilon_m} = \frac{2RU_0}{NSB \omega} = k \frac{1}{B \omega}, \qquad (5)\)

где k — некоторый коэффициент, постоянный для данной конструкции прибора.

Таким образом, длина отрезка, соединяющего ближайшие концы светящихся дуг, обратно пропорциональна индукции магнитного поля и угловой скорости вращения в нем катушки. Если эксперимент подтвердит справедливость этого вывода, то тем самым будет обоснована справедливость формулы (4) и закона электромагнитной индукции (1).

Экспериментальное оборудование

Устройство прибора схематически показано на рисунке 3: катушка 1 с ферромагнитным сердечником установлена на дюралевом диске 2, центр которого закреплен на валу школьной центробежной машины перпендикулярно оси вращения. К выводам катушки подключены два разноцветных светодиода 3, соединенные параллельно во взаимно противоположных направлениях. Рядом с прибором расположены кольцевые керамические магниты

4.

Рис. 3

Катушка намотана на сердечник сечением 15 × 15 мм и длиной 80 мм, набранный из пластин трансформаторной стали. Она содержит от 2000 до 4000 витков провода ПЭЛ 0,15 (чем больше количество витков, тем выше чувствительность прибора). Для индикации использованы красный и зеленый светодиоды типа АЛ307А и АЛ307Б (применение современных сверхъярких светодиодов значительно повышает эффектность опытов). Чтобы при вращении катушка не соударялась с постоянным магнитом, она расположена на дюралевом диске, диаметр которого на 2 — 3 мм превышает длину катушки.

На рисунке 4 приведена фотография одного из изготовленных нами приборов. В нем сердечник просверлен посередине и непосредственно закреплен на валу, который установлен в центробежной машине, а для защиты катушки и светодиодов использована донная часть пластиковой бутылки.

Рис. 4

Вы уже поняли, что конструктивно прибор может быть оформлен самыми различными способами, важно только выдержать основные параметры катушки. Заметим, кстати, что 2000 витков вполне достаточно, а намотать их можно вручную в течение примерно часа. Вместо центробежной машины, которой может не оказаться в физическом кабинете, вполне подойдет ручная дрель. Мы изготовили около 10 описанных приборов, и все они всегда работали, несмотря на то что в некоторых из них в качестве сердечника применялись стальные болты, в других — катушки наматывались очень небрежно или использовались готовые, например от старых реле.

Натурный эксперимент

Для опытов подберите кольцевые керамические магниты диаметром примерно 80 мм от старых динамиков или иных устройств.

Опыт 1. Вначале катушку оставьте неподвижной и к ее сердечнику резко поднесите магнит; при этом один из светодиодов загорается. Магнит резко удалите от сердечника — загорается второй светодиод. Отсюда следует, что при изменении магнитного потока в катушке возникает ЭДС индукции, в зависимости от направления которой загорается красный или зеленый светодиод.

Опыт 2. Катушку приведите во вращение и медленно приближайте к вращающейся катушке магнит. Вы увидите, что возникают две диаметрально противоположные светящиеся дуги красного и зеленого цвета, которые разделены темными промежутками (рис. 5). Отрезок, соединяющий эти промежутки, параллелен направлению магнитного поля. Светящиеся дуги становятся ярче и увеличиваются в размерах по мере роста скорости вращения катушки и приближения к ней магнита. При повороте магнита вокруг оси вращения катушки светящиеся дуги поворачиваются так, что отрезок, соединяющий темные промежутки, остается параллельным магнитному полю (рис. 6). При изменении направления вращения катушки или направления магнитного поля на противоположное разноцветные дуги меняются местами.

• Рис. 5

• Рис. 6

Сопоставляя результаты всех проделанных опытов, можно прийти к выводу, что во вращающейся в постоянном магнитном поле катушке возникает переменная ЭДС индукции, которая за оборот один раз меняет свое направление, и она тем больше по величине, чем выше скорость вращения и значительнее индукция магнитного поля.

Если выводы катушки подключить не к светодиодам, а к коллектору из двух колец и двух щеток, то на выводах такого коллектора, очевидно, появится переменное напряжение синусоидальной формы. Иными словами, вращающаяся в постоянном магнитном поле катушка с соответствующим коллектором является электрическим генератором переменного тока. Сделав коллектор из двух полуколец, расположенных подобно светящимся дугам, получаем электрический генератор постоянного (пульсирующего) тока.

Задания для самостоятельного исследования

1. Разработайте компьютерную программу, обеспечивающую построение в полярной системе координат графика зависимости ЭДС индукции от угла поворота витка в постоянном магнитном поле. На компьютерной модели исследуйте эту зависимость при различных значениях скорости вращения витка и индукции магнитного поля.
2. Исследуйте вращение катушки в переменном магнитном поле, используя компьютерный и натурный эксперименты. Для последнего вместо постоянного магнита нужно взять электромагнит, подключенный к источнику переменного тока. Подойдут имеющиеся в школьном физическом кабинете дроссельная катушка со стальным сердечником и блок питания В-24.
3. Разработайте компьютерную модель описанного в статье прибора, обеспечивающую построение разноцветных дуг, подобных тем, которые высвечивают светодиоды. Выполните серию компьютерных экспериментов, изменяя скорость вращения катушки и частоту магнитного поля. Сопоставьте результаты модельных и натурных экспериментов.

Магнитное поле. Электромагнитная индукция. Часть 3. Электромагнитная индукция

Как же всё-таки возникает ток на электростанции? Оказывается, если вдвигать постоянный магнит в катушку, в катушке возникнет ток. Чтобы это увидеть, можно подключить катушку к гальванометру.

Рис. 13 – Возникновение тока в катушке при движении магнита

---

 

Что такое гальванометр?

Если не вдаваться в особенности строения гальванометра, то это прибор, стрелка которого отклоняется при протекании через него тока. Он с его помощью можно измерить силу тока, причем очень маленькую, десятки микроампер. Можно проградуировать его шкалу в единицах напряжения. Чтобы это был полноценный амперметр или вольтметр, нужно добавить определенное внутреннее сопротивление прибора. Нас же сейчас интересует гальванометр не столько как измерительный прибор, сколько как индикатор, мы обнаруживаем сам факт, что ток протекает.

---

Если выдвигать магнит из катушки, ток тоже возникнет и его направление будет противоположным тому, который возникал при движении магнита в катушку. Причем обратите внимание, ток протекает в катушке именно в процессе движения магнита – когда движение прекращается, ток пропадает. Эта деталь мешала обнаружить этот ток его первооткрывателю Фарадею, подробнее об опыте Фарадея вы можете узнать в ответвлении.

---

 

Опыт Фарадея

Когда обнаружили, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле, у ученых того времени возникла мысль: а не может ли из-за магнитного поля возникнуть ток в проводнике? Ведь стало понятно, что связь между ними какая-то есть. Майкл Фарадей пытался обнаружить такое возникновение тока, спровоцированное магнитным полем. Он подключал катушку к гальванометру, помещал в неё постоянный магнит и следил за стрелкой гальванометра.

В то время приборы были не такими помехозащищёнными, точными и надежными, как сейчас, поэтому, по одной из версий, гальванометр находился далеко от катушки, возможно даже в соседней комнате, чтобы никакие вибрации не создавали помехи. Поэтому, когда Фарадей помещал магнит в катушку, именно во время движения магнита в катушке возникал ток, и стрелка гальванометра отклонялась. Но когда магнит останавливался и ученый подходил к гальванометру, протекание тока уже прекращалось.

Считается, что обнаружить явление электромагнитной индукции помог ученик Фарадея, который находился возле гальванометра в момент, когда Фарадей помещал в катушку магнит, и заметил отклонение стрелки.

---

Это явление назвали электромагнитной индукцией, а возникающий при этом ток – индукционным.

Возникновение этого тока не должно нас удивлять при том, что мы уже знаем об электромагнитном поле. Мы изучили силу, которая действует на движущийся электрический заряд в магнитном поле. Но движение относительно, и заряд движется в магнитном поле или источник магнитного поля движется относительно заряда – это может быть одна и та же ситуация при рассмотрении в разных системах отсчета. И возможна ситуация, когда электроны будут двигаться в магнитном поле вместе с проводником, а сила, с которой на них действует магнитное поле, будет заставлять их двигаться вдоль проводника, то есть создаст электрический ток. Так что это еще одно проявление электромагнитного взаимодействия зарядов в атомах магнита и свободных зарядов в проводнике.

Для описания этого явления ввели удобный математический инструмент – магнитный поток через выбранную площадь. Что это за выбранная площадь? Мы рассматриваем возникновение тока в замкнутом контуре, и в этом случае ток будет зависеть от магнитного потока через площадь контура.

Так вот, магнитный поток – это по определению произведение магнитной индукции  на площадь , поток через которую вычисляется, и на косинус угла между вектором  и перпендикуляром к площади. Обозначать магнитный пото

1. Магнитное поле и индуктивность | 14. Катушки индуктивности | Часть1

1. Магнитное поле и индуктивность

Магнитное поле и индуктивность

Вокруг всякого проводника, по которому течет ток, возникает магнитное поле. Такой эффект называется электромагнетизмом. Магнитные поля оказывают влияние на выравнивание электронов в атомах, и могут вызывать физическую силу, способную развиваться в пространстве. Как и электрические поля, магнитные поля могут занимать совершенно пустое пространство, и воздействовать на материю на расстоянии.

Магнитное поле обладает двумя основными характеристиками: магнитодвижущей силой и магнитным потоком. Общее количество поля или его эффект называется магнитным потоком, а сила, которая формирует этот магнитный поток в пространстве, называется магнитодвижущей силой. Эти две характеристики примерно аналогичны электрическому напряжению (магнитодвижущая сила) и электрическому току (магнитный поток) в проводнике. Магнитный поток, в отличие от электрического тока (который существует только там, где есть свободные электроны), может распространяться в абсолютно пустом пространстве. Пространство оказывает сопротивление магнитному потоку точно так же, как проводник оказывает сопротивление электрическому току. Величина магнитного потока равна магнитодвижущей силе, поделенной на сопротивление среды.

Магнитное поле имеет отличия от электрического поля. Если электрическое поле зависит от имеющегося количества разноименных зарядов (чем больше электрических зарядов одного вида на одном проводнике, и противоположного, на другом, тем больше будет электрическое поле между этими проводниками), то магнитное поле создается потоком электронов (чем интенсивнее движение электронов, тем больше вокруг них магнитного поля).

Устройство, способное запасать энергию магнитного поля, называется катушкой индуктивности. Форма катушки создает гораздо более сильное магнитное поле, чем обычный прямолинейный проводник. Конструкционной основой катушки индуктивности является диэлектрический каркас, на который наматывается провод в виде спирали (существуют так же и бескаркасные катушки). Обмотка может быть как однослойной, так и многослойной. Для увеличения индуктивности применяют магнитные сердечники. Помещенный внутрь катушки сердечник концентрирует магнитное поле и тем самым увеличивает ее индуктивность.

Условные обозначения катушек индуктивности на электрических схемах выглядят следующим образом:

 

 

Поскольку электрический ток создает вокруг катушки концентрированное магнитное поле, магнитный поток этого поля приравнивается к хранилищу энергии (сохранение которой происходит за счет кинетического движения электронов через катушку). Чем больше ток в катушке, тем сильнее магнитное поле, и тем больше энергии будет хранить катушка индуктивности.

 

 

Так как катушки индуктивности сохраняют кинетическую энергию движущихся электронов в виде магнитного поля, в электрической цепи они ведут себя совершенно иначе, чем резисторы (которые просто рассеивают энергию в виде тепла). Способность накапливать энергию в зависимости от тока позволяет катушке индуктивности поддерживать этот ток на постоянном уровне. Иными словами, она сопротивляется изменениям тока. Когда ток через катушку увеличивается или уменьшается, она производит напряжение, полярность которого противоположна этим изменениям.

Для сохранения большего количества энергии, ток через катушку индуктивности должен быть увеличен. В этом случае напряженность магнитного поля увеличится, что приведет к возникновению напряжения согласно принципу электромагнитной самоиндукции. И наоборот, для высвобождения энергии из катушки, проходящий через нее ток должен быть уменьшен. В этом случае напряженность магнитного поля уменьшится, что приведет к возникновению напряжения противоположной полярности.

Вспомните Первый закон Ньютона, который гласит что всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние. С катушками индуктивности ситуация примерно аналогичная: «электроны, движущиеся через катушку стремятся оставаться в движении, а покоящиеся электроны имеет тенденцию оставаться в покое». Гипотетически, короткозамкнутая катушка индуктивности будет сколь угодно долго поддерживать постоянную скорость потока электронов без внешней помощи:

 

 

На практике же, катушка индуктивности способна поддерживать постоянный ток только при использовании сверхпроводников. Сопротивление обычных проводов приведет к неизбежному затуханию потока электронов (без внешнего источника энергии).

Когда ток через катушку увеличивается, он создает напряжение, полярность которого противоположна потоку электронов. В этом случае катушка индуктивности выступает в качестве нагрузки. Она, как говорится, «заряжается»,  поскольку все большее количество энергии сохраняется в ее магнитном поле. На следующем  рисунке обратите внимание на полярность напряжения по отношению к направлению тока:

 

 

И наоборот, когда ток через катушку уменьшается, на ее выводах возникает напряжение, полярность которого соответствует потоку электронов. В этом случае катушка индуктивности выступает в качестве источника питания. Она высвобождает энергию магнитного поля в остальную часть схемы. Обратите внимание на полярность напряжения по отношению к направлению тока:

 

 

Если ненамагниченную катушку индуктивности подключить к источнику питания, то в первоначальный момент времени она будет сопротивляться потоку электронов пропуская  все напряжение источника. Как только ток начнет возрастать, сила магнитного поля, созданного вокруг катушки, будет увеличиваться поглощая энергию источника питания. В конечном итоге ток достигнет максимального значения и прекратит свой рост. В этот момент катушка прекращает поглощать энергию от источника питания и напряжение на ее выводах падает до минимального уровня (в то время как ток остается на максимальном уровне). Таким образом, при сохранении большего количества энергии, ток через катушку индуктивности увеличивается, а напряжение на ее выводах падает. Заметьте, такое поведение полностью противоположно поведению конденсатора, в котором увеличение количества запасенной энергии  приводит к увеличению напряжения на его выводах. Если конденсаторы используют запасенную энергию на поддержание постоянной величины напряжения, то катушки индуктивности такую энергию используют на поддержание постоянной величины тока.

Тип материала, из которого изготавливается провод катушки, оказывает значительное влияние на магнитный поток (а следовательно и  на количество запасаемой энергии) создаваемый заданной величиной тока. Влияет на магнитный поток и материал, из которого изготавливается сердечник катушки индуктивности: ферромагнитный материал (например железо) создаст более сильный поток, чем немагнитный материал (например алюминий или воздух).

Способность катушки индуктивности извлекать энергию из источника электрического тока и сохранять ее в виде магнитного поля называется индуктивностью. Индуктивность так же является мерой сопротивления изменениям тока. Для обозначения индуктивности используется символ  «L», а измеряется она в Генри, сокращенно «Гн»

Энергия магнитного поля. Видеоурок. Физика 11 Класс

На этом уроке мы повторим явление самоиндукции. Ознакомимся с энергией магнитного поля. Также узнаем о том, как вычислить плотность энергии магнитного поля.

Вспомним, в чем состоит явление самоиндукции. При изменении силы тока, протекающего через проводник, в этом же проводнике возникает ЭДС индукции, препятствующая изменению основного тока в проводниках. Это приводит к тому, что сила тока в проводнике достигает своего максимального значения не мгновенно, а в течение некоторого времени. Данное явление наблюдается и при размыкании цепи: сила тока падает до нуля не мгновенно, а постепенно. Явление самоиндукции связано с тем, что проводник с током находится в пространстве собственного магнитного потока и при любом изменении тока в проводнике меняется и магнитный поток, что, в свою очередь, приводит к возникновению ЭДС индукции (рис. 1).

Рис. 1. Самоиндукция

ЭДС индукции определяется как отношение изменения силы тока к изменению времени и умноженное на индуктивность проводника. А индуктивность определяется геометрическими параметрами проводника. Знак «минус» указывает на то, что возникающая ЭДС препятствует изменению тока.

Обратим внимание на то, что при размыкании цепи ток в ней хоть и убывает, но все равно существует – это доказывает процесс переноса заряда, которому необходима энергия. Но откуда она берется? Поскольку никаких других изменений, кроме убывания магнитного поля, вокруг проводника не происходит, можно сделать предположение, что энергия локализована в магнитном поле

Необходимо выяснить, откуда берется энергия и как ее рассчитать.

Рассмотрим опыт. Пусть имеется электрическая цепь, в которой катушка с индуктивностью () последовательно соединена с лампочкой и через переключатель может быть замкнута либо на источник постоянного тока (), либо на резистор с сопротивлением () (рис. 2).  

Рис. 2. Схема

Если в цепь включить амперметр, то можно получить график зависимости тока в цепи от времени. Сначала замкнем катушку на источник ЭДС – в цепи будет протекать ток  (рис. 3).

Рис. 3. График изменения тока

Затем, в некоторый момент времени  переключим ключ, замыкая катушку на резистор  – в цепи будет протекать убывающий ток. С момента времени  до полного исчезновения тока пройдет определенное время, в течение которого будет происходить перенос заряда в цепи катушки и резистора. Следовательно, будет совершаться работа: убывание тока в катушке вызовет явление самоиндукции, и в ней возникнет ЭДС самоиндукции. Разобьем участок 2 графика изменения тока на бесконечно малые интервалы времени , такие, что на каждом интервале изменения тока можно считать линейными (рис. 4).

 

Рис. 4. Разбиение участка 2 на интервалы  

На каждом таком участке будет совершаться работа, численно равная произведению ЭДС индукции на переносимый за этот интервал времени заряд:

Подставим выражение для ЭДС самоиндукции в выражение для работы на интервале времени :

Отношение перенесенного заряда  к интервалу времени  является средним значением тока на этом элементарном интервале времени:

Тогда выражение для работы на элементарном интервале времени примет вид:

Если просуммировать работу по всем элементарным участкам  от  до 0, получим выражение для полной работы за весь интервал времени:

Такая работа пойдет на нагревание проводников внутри катушки, замкнутой на резистор.

Выразим энергию магнитного поля через параметры магнитного поля. Для катушки индуктивность равна:

Модуль магнитной индукции катушки определяется соотношением:

Тогда для энергии магнитного поля получим выражение:

Разделим выражение для энергии магнитного поля катушки на ее объем, считая, что все магнитное поле сосредоточено в объеме катушки:

Развивая теорию электромагнетизма, Джеймс Кларк Максвелл показал, что полученное выражение для длинной катушки справедливо для любых магнитных полей, а полученная величина называется плотностью энергии магнитного поля.

При замыкании цепи ток нарастает не мгновенно, а в течение некоторого времени, поскольку источник тока должен совершить работу против ЭДС самоиндукции. Эта работа аккумулируется в магнитном поле, которое окружает проводник с током. Впоследствии энергия магнитного поля преобразуется в работу вихревого электрического поля, которое возникает в проводнике после размыкания цепи и затем некоторое время поддерживает индукционный ток в этом проводнике. Энергия магнитного поля вычисляется по формуле: «половина произведения индуктивности проводника на квадрат силы тока, протекающего через проводник».

Список литературы

1. Касьянов В.А., Физика 11 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. – 4-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2004. – 416с.: ил., 8 л. цв. вкл.
2. Тихомирова С.А., Яровский Б.М., Физика 11. – М.: Мнемозина.      
3. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., Физика 11. – М.: Мнемозина.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «Физика» (Источник).
2. Интернет-портал «Terver.ru» (Источник).
3. Интернет-портал «Классная физика» (Источник).

 

Домашнее задание

1. Касьянов В.А., Физика 11 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. – 4-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2004. – 416с.: ил., 8 л. цв. вкл., ст. 101, в. 5, з. 4, 5.
2. Почему при размыкании цепи питания трансформатора или электродвигателя может возникнуть сильная искра?
3. Какова индуктивность контура, если при равномерном изменении силы тока на 5 А за 50 мс в этом контуре создается ЭДС 10 В?
4. ^* Катушку с индуктивностью 50 мГн, по которой шел ток 2 А, с помощью переключателя замкнули накоротко. Какое количество теплоты выделилось в катушке к тому моменту, когда сила тока уменьшилась до 1 А?

Электромагнитные катушки — Electromagnetic coil

Линии магнитного поля ( зеленый ) из токопроводящей петли провода проходят через центр петли, концентрируясь на поле есть

Электромагнитная катушка представляет собой электрический проводник , такой как провод в форме катушки , спирали или спирали . Электромагнитные катушки используются в электротехнике , в применениях , где электрические тока взаимодействуют с магнитными полями , в таких устройствах , как электродвигатели , генераторы , катушки индуктивность , электромагниты , трансформаторы и сенсорные катушки. Либо электрический ток пропускают через проволоку катушки для создания магнитного поля, или , наоборот внешнее изменяющееся во времени магнитное поле , через внутреннюю часть катушки генерирует ЭДС ( напряжения ) в проводнике.

Ток через любой проводник создает круговое магнитное поле вокруг проводника из — за закон Ампера . Преимущество использования формы катушки является то , что он увеличивает силу магнитного поля , создаваемого при заданном токе. Магнитные поля , создаваемые отдельными витками проволоки все проходит через центр катушки и добавить ( совместив ) , чтобы произвести сильное поле там. Чем больше витков провода, тем сильнее поле , создаваемое. И наоборот, изменение внешнего магнитный поток индуцирует напряжение в проводнике , такие как проволока, из — за закон индукции Фарадея . Индуцированное напряжение может быть увеличено путем намотки провода в катушку, потому что силовые линии пересекают цепи несколько раз.

Направление магнитного поля , создаваемое катушкой можно определить с помощью правила захвата правой руки . Если пальцы правой руки обернуты вокруг магнитного сердечника катушки в направлении обычного тока через провод, большой палец будет указывать направление на магнитные силовые линии проходят через катушку. Конец магнитного сердечника , из которого силовые линии возникнуть определяется как северный полюс.

Есть много различных типов катушек, используемых в электрическом и электронном оборудовании.

В катушке нескольких витков провода магнитное поле витков добавляет в центре катушки, создавая сильное поле. На этом чертеже показано поперечное сечение через центр катушки. Крестики провода, в котором ток движется в страницу; Точки, в которых провод ток, выходящий из страницы.

Обмотки и краны

Схема типовых конфигураций трансформаторов

Провод или проводник , который представляет собой катушку, называется обмоткой . Отверстие в центре катушки называется ядром области или магнитной осью . Каждая петля из проволоки называется поворотом . В обмотках , в которой витки соприкасаются, провод должен быть изолирован с покрытием из непроводящей изоляции , такие как пластмассы или эмаль , чтобы предотвратить ток от прохождения между провод поворачивается. Намотки часто оборачиваются вокруг формы катушки , изготовленную из пластмассы или другого материала , чтобы удерживать его на месте. Концы проволоки выведены и прикреплены к внешней цепи. Обмотки могут иметь дополнительные электрические соединения вдоль их длины; они называются краны . Обмотка , который имеет один кран в центре его длиной, называется центром отвода .

Катушки могут иметь более чем одну обмотку, электрически изолированы друг от друга. При наличии два или более обмоток вокруг общей магнитной оси, обмотки , как говорят, индуктивно связанными или с магнитной муфтой . Изменяющийся во время тока через одну обмотки будет создавать магнитное поле , изменяющиеся во время , который проходит через другую обмотку, которые будут вызывать изменяющиеся во время напряжения в других обмотках. Это называется трансформатор . Обмоткой , к которому ток подводится, который создает магнитное поле, называется первичной обмотки . Остальные обмотки называются вторичными обмотками .

магнитный сердечник

Многие электромагнитные катушки имеют магнитный сердечник , кусок ферромагнитного материала , например железо в центре , чтобы увеличить магнитное поле. Тока через катушку намагничивает железо, и поле намагниченного материала добавляет к полю , создаваемому проволока. Это называется ферромагнитным сердечником или железным сердечником катушки . Ферромагнитный сердечник может увеличить магнитное поле и индуктивность катушки сотни или тысячи раз над тем, что было бы без сердечника. Ферритовый сердечник катушка представляет собой разновидность катушки с сердечником из феррита , в ферримагнитном керамическом соединении. Ферритовые катушки имеют более низкие потери в сердечнике при высоких частотах.

• Катушка с сердечником , который образует замкнутую петлю, возможно , с некоторыми узкими воздушными зазорами, называется закрытым сердечник катушкой. Предоставляя замкнутый контур для силовых линий магнитного поля, эта геометрия минимизирует магнитное сопротивление и производит самое сильное магнитное поле. Он часто используется в трансформаторах.
  • Общей формой для замкнутого сердечника катушек является тороидальный сердечник катушки, в которой сердечник имеет форму тора или бублика, либо с круглым или прямоугольным поперечным сечением. Эта геометрия имеет минимальный поток рассеяния и излучает минимальные электромагнитные помехи (EMI).
• Катушка с сердечником , который является прямой бар или другой формы без петель называется открытым сердечником катушки. Это имеет более низкое магнитное поле и индуктивность , чем замкнутый сердечник, но часто используется для предотвращения магнитного насыщения сердечника.

Катушка без ферромагнитного сердечника называется воздушным сердечником катушки . Это включает в себя катушку , намотанную на пластике или другие немагнитных формах, а также катушки , которые на самом деле имеют пустое пространство воздуха внутри их обмоток.

Типы катушек

Катушки могут быть классифицированы по частоте тока они предназначены для работы с:

• Постоянный ток или постоянный ток катушка или электромагниты работают с постоянным постоянным током в их обмотках
• Звуковой частоты или АФ катушки, катушки индуктивности или трансформаторы работают с переменными токами в звуковой частоты диапазона, менее 20 кГц
• Радиочастотный или РЧ катушки, катушки индуктивности или трансформаторы работают с использованием переменных токов в радиочастотном диапазоне, выше 20 кГц

Катушки могут быть классифицированы по их функции:

Электромагниты

Электромагниты являются катушками , которые генерируют магнитное поле для некоторого внешнего использования, часто оказывают механическое усилие на что — то. Несколько конкретных типов:

• Соленоид — электромагнит в виде прямой полой спирали проволоки
• Двигатель и генератор обмоток — железный сердечник электромагнита на ротор или статор электродвигателей и генераторов , которые действуют друг на друга , чтобы либо повернуть вал (двигатель) или генерировать электрический ток (генератор)
  • Поле намотки — железо-сердечник катушки , который генерирует устойчивое магнитное поле , чтобы действовать на обмотках якоря.
  • Арматура обмотки — железо-сердечник катушки , которая находится под действием магнитного поля обмотки возбуждения либо создать крутящий момент двигателя () или индуцировать напряжение для выработки энергии (генератор)
• Кольца Гельмгольца , Максвелл катушки — катушки с воздушным сердечником , которые служат , чтобы отменить внешнее магнитное поле
• Размагничивания катушки — катушка используется для размагничивания деталей
• Звуковая катушка — катушка используется в подвижной катушке громкоговорителе , подвешенной между полюсами магнита. Когда звуковой сигнал проходит через катушку, она вибрирует, перемещаясь прилагаемый диффузор для создания звуковых волн. Обратный используется в динамическом микрофоне , где звуковые вибрации перехваченной чем — то вроде диафрагмы физически передать в звуковой катушке , погруженной в магнитном поле, и клемма катушки заканчивается затем обеспечить электрический аналог этих колебаний.

Индукторы

Индукторы или реакторы катушка , которые генерируют магнитное поле , которое взаимодействует с самой катушкой, чтобы вызвать обратный ЭДС , которая противодействует изменения тока через катушку. Индукторы используются в качестве элементов схемы в электрических цепях, чтобы временно хранить энергию или сопротивляться изменениям в токе. Несколько типов:

• Танк катушка — индуктор используется в резонансном контуре
• Дроссель — индуктор , используемый для блокирования переменного тока высокой частоты, позволяя через низкой частоты переменного тока.
• Загрузка катушка — индуктор используется для добавления индуктивности к антенне, чтобы сделать его резонансным или к кабелю , чтобы предотвратить искажение сигналов.
• Вариометр — регулируемая катушка индуктивности , состоящая из двух катушек, соединенных последовательно, внешней стационарной катушки и второй внутри него , который может поворачиваться , так что их магнитные оси в том же направлении или против.
• Выходной трансформатор строчной развертки — Хотя называется трансформатор, это на самом деле индуктор , который служит для хранения энергии в импульсных источников питания и горизонтальные контуры отклонения для ЭЛТ — телевизоров и мониторов
• Насыщающийся реактор — железо-сердечник катушки индуктивности используется для контроля мощности переменного тока путем изменения насыщение сердечника с помощью управляющего напряжения постоянного тока во вспомогательной обмотке.
• Индуктивный балласт — индуктор используется в ламповых газоразрядных схем, таких как люминесцентные лампы , чтобы ограничить ток через лампу.

трансформеры

Трансформатор

Трансформатор представляет собой устройство с двумя или более магнитно связаны обмотками (или частями одной обмотки). Время изменения тока в одной катушке (называется первичной обмотки ) генерирует магнитное поле , которое индуцирует напряжение в другой катушке ( так называемый вторичной обмотки ). Несколько типов:

• Распределительный трансформатор — трансформатор в электрической сети питания , который преобразует высокое напряжение от электрической силовой линии к более низкому напряжению , используемому коммунальным клиентами.
• Автотрансформатор — трансформатор только с одной обмоткой. Различные части обмотки, доступ к которым с заходами, выступают в качестве первичных и вторичных обмоток трансформатора.
• Тороидальный трансформатор — сердечник в форме тороида . Это обычно используется форма , поскольку это уменьшает поток рассеяния, в результате чего меньше электромагнитных помех.
• Индукционная катушка или трамблрр катушка — ранний трансформатор , который использует вибрирующий механизм прерывателя разорвать первичный ток , поэтому он может работать от тока постоянного тока.
• Балун — трансформатор , который соответствует сбалансированной линии передачи к одному несбалансированной.
• Бифилярная катушки — рана катушки с двумя параллельными, близко расположенными нитями. Если переменный ток пропускает через него в том же направлении, что магнитные потоки будут добавлять, но если равные тока в противоположных направлениях проходят через обмотку противоположные потоки отменят, в результате нулевого потока в сердечнике. Таким образом , напряжение не будет индуцируется в третьей обмотки на сердечник. Они используются в приборах и устройствах , как Ground Fault прерывателей . Они также используются в низких сопротивлений индуктивности проволочных для использования на радиочастотах.
• Аудио трансформатор — трансформатор используется с звуковыми сигналами . Они используются для согласования импеданса .

Электрические машины

Электрические машины , такие как двигатели и генераторы имеют один или несколько витков , которые взаимодействуют с подвижной магнитными полями для преобразования электрической энергии в механическую энергию. Часто машина будет иметь одну обмотку , через который проходит большую часть мощности машины ( «якорь» ), и вторую обмотка , который обеспечивает магнитное поле вращающегося элемента ( «поле обмотки») , которые могут быть соединены с помощью щеток или контактные кольца к внешнему источнику электрического тока. В асинхронном двигателе , «поле» обмотки ротора находится под напряжением путем медленного относительного движения между вращающейся обмоткой и вращающегося магнитного поля , создаваемого обмоткой статора, который вызывает необходимый ток возбуждения в роторе.

преобразователя катушки

Эти катушки используются для перевода изменяющихся во время магнитных полей в электрические сигналы, и наоборот. Несколько типов:

• Датчик или приемные катушки — они используются для обнаружения внешних изменяющихся во время магнитных полей
• Индуктивный датчик — катушка , который чувствует , когда магнит или железо объект проходит вблизи него
• Записывающая головка — катушка , которая используется для создания магнитного поля для записи данных на магнитное хранение среду, такие как магнитная лента или жесткий диск . И наоборот он также используется для считывания данных в виде изменения магнитного поля в среде.
• Индукционный нагрев катушка — катушка переменного тока используется для нагрева объекта путем индуцирования вихревых токов в ней, процесс , называемый индукционным нагревом .
• Рамочная антенна — катушка , которая служит в качестве радиоантенны , чтобы преобразовать радиоволны для электрических токов.
• Катушка Роговского — это тороидальная катушка используется в качестве измерительного устройства переменного тока
• Музыкальный инструмент пикап — катушка используется для получения выходного звукового сигнала в электрической гитаре или электрического баса .
• Поток затвора — катушка датчика используется в магнитометра
• Магнитный фонограф картридж — датчик в проигрывателе , который использует катушку , чтобы перевести вибрации иглы к звуковому сигналу в воспроизведении виниловых грампластинок .

Есть также типы катушек, которые не попадают в эти категории.

Обмотка технологии

Смотрите также

кривая Hanna

Рекомендации

дальнейшее чтение

• Querfurth, Уильям, « обмоткой катушки, описание катушки обмотки процедур, обмоточных машин и сопутствующего оборудования для электронной промышленности » (2D ред.). Чикаго, Г. Стивенс Mfg. Co., 1958.
• Weymouth, Ф. Мартена, » Drum якорей и коммутаторы (теория и практика): полный трактат по теории и конструкции барабана намотки, и коммутаторов для замкнутой катушки якорей, вместе с полным Резюме некоторых из основных пунктов , участвующих в их разработке и изложению реакции якоря и искрообразование ». Лондон, «Электрик» Печать и издательство Ко, 1893.
• « Катушки обмотки дела ». Международная ассоциация намоточные.
• Chandler, RH, » Coil обзор покрытия, 1970-76 «. Braintree, RH Чандлер Ltd, 1977.

внешняя ссылка

Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение

Электромагнетизм — это совокупность явлений, обусловленных связью электрических токов и магнитных полей. Иногда эта связь приводит к нежелательным эффектам. К примеру, ток, протекающий по электрическим кабелям на корабле, вызывает ненужное отклонение судового компаса. Однако нередко электричество намеренно используется для создания магнитных полей большой интенсивности. В качестве примера можно привести электромагниты. О них мы сегодня и поговорим.

Интенсивность магнитного поля можно определить числом линий магнитного потока, которое приходится на единицу площади. Магнитное поле возникает всюду, где протекает электрический ток, причем магнитный поток в воздухе пропорционален последнему. Прямой провод, несущий ток, можно согнуть в виток. При достаточно малом радиусе витка это приводит к возрастанию магнитного потока. При этом сила тока не увеличивается.

Эффект концентрации магнитного потока можно еще усилить, увеличивая количество витков, т. е. скручивая провод в катушку. Справедливо и обратное. Магнитное поле катушки с током можно ослабить, если уменьшить количество витков.

Выведем важное соотношение. В точке максимальной плотности магнитного потока (в ней на единицу площади приходится больше всего линий потока) соотношение между электрическим током I, числом витков провода n и магнитным потоком В выражается так: In пропорционально В. Ток в 12 А, текущий по катушке из 3 витков, создает точно такое же магнитное поле, как и ток в 3 А, текущий по катушке из 12 витков. Это важно знать, решая практические задачи.

Соленоид

Катушка из намотанного провода, создающая магнитное поле, называется соленоидом. Провода можно наматывать на железо (железный сердечник). Подойдет и немагнитная основа (например, воздушный сердечник). Как вы видите, можно использовать не только железо, чтобы создать магнитное поле катушки с током. С точки зрения величины потока любой немагнитный сердечник эквивалентен воздуху. То есть приведенное выше соотношение, связывающее ток, число витков и поток, в этом случае выполняется достаточно точно. Таким образом, магнитное поле катушки с током можно ослабить, если применить эту закономерность.

Использование железа в соленоиде

Для чего в соленоиде используется железо? Его наличие влияет на магнитное поле катушки с током в двух отношениях. Оно увеличивает магнитное действие тока, часто в тысячи раз и более. Однако при этом может нарушаться одна важная пропорциональная зависимость. Речь идет о той, которая существует между магнитным потоком и током в катушках с воздушным сердечником.

Микроскопические области в железе, домены (точнее, их магнитные моменты), при действии магнитного поля, которое создается током, строятся в одном направлении. В результате при наличии железного сердечника данный ток создает больший магнитный поток на единицу сечения провода. Таким образом, плотность потока существенно возрастает. Когда все домены выстраиваются в одном направлении, дальнейшее увеличение тока (или числа витков в катушке) лишь незначительно повышает плотность магнитного потока.

Расскажем теперь немного об индукции. Это важная часть интересующей нас темы.

Индукция магнитного поля катушки с током

Хотя магнитное поле соленоида с железным сердечником гораздо сильнее магнитного поля соленоида с воздушным сердечником, величина его ограничена свойствами железа. Размер того, которое создается катушкой с воздушным сердечником, теоретически не имеет предела. Однако, как правило, получать огромные токи, необходимые для создания поля, сравнимого по величине с полем соленоида с железным сердечником, очень трудно и дорого. Не всегда следует идти этим путем.

Что будет, если изменить магнитное поле катушки с током? Это действие может породить электрический ток точно так же, как ток создает магнитное поле. При приближении магнита к проводнику магнитные силовые линии, пересекающие проводник, индуцируют в нем напряжение. Полярность индуцированного напряжения зависит от полярности и направления изменения магнитного потока. Этот эффект значительно сильнее проявляется в катушке, чем в отдельном витке: он пропорционален числу витков в обмотке. При наличии железного сердечника индуцированное напряжение в соленоиде увеличивается. При таком способе необходимо движение проводника относительно магнитного потока. Если проводник не будет пересекать линии магнитного потока, напряжение не возникнет.

Как получают энергию

Электрические генераторы вырабатывают ток на основе тех же принципов. Обычно магнит вращается между катушками. Величина индуцированного напряжения зависит от величины поля магнита и скорости его вращения (они определяют скорость изменения магнитного потока). Напряжение в проводнике прямо пропорционально скорости магнитного потока в нем.

Во многих генераторах магнит заменен соленоидом. Для того чтобы создать магнитное поле катушки с током, соленоид подключают к источнику тока. Какой в этом случае будет электрическая мощность, вырабатываемая генератором? Она равна произведению напряжения на силу тока. С другой стороны, взаимосвязь тока в проводнике и магнитного потока позволяет использовать поток, создаваемый электрическим током в магнитном поле, для получения механического движения. По этому принципу работают электродвигатели и некоторые электроизмерительные приборы. Однако для создания движения в них необходимо затрачивать дополнительную электрическую мощность.

Сильные магнитные поля

В настоящее время, используя явление сверхпроводимости, удается получать невиданной интенсивности магнитное поле катушки с током. Электромагниты могут быть очень мощными. При этом ток протекает без потерь, т. е. не вызывает нагрева материала. Это позволяет применять большое напряжение в соленоидах с воздушным сердечником и избежать ограничений, обусловленных эффектом насыщения. Очень большие перспективы открывает такое мощное магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение не зря интересуют множество ученых. Ведь сильные поля могут использоваться для движения на магнитной «подушке» и создания новых видов электродвигателей и генераторов. Они способны высокую мощность при малой стоимости.

Энергия магнитного поля катушки с током активно используется человечеством. Она уже долгие годы широко применяется, в частности на железных дорогах. О том, как используются магнитные линии поля катушки с током для регулирования движения поездов, мы сейчас и поговорим.

Магниты на железных дорогах

На железных дорогах обычно применяются системы, в которых в целях большей безопасности электромагниты и постоянные магниты дополняют друг друга. Как же действуют эти системы? Сильный постоянный магнит прикрепляют вплотную к рельсу на определенном расстоянии от светофоров. Во время прохождения поезда над магнитом ось постоянного плоского магнита в кабине машиниста поворачивается на малый угол, после чего магнит остается в новом положении.

Регулирование движения на железной дороге

Движение плоского магнита включает сигнальный звонок или сирену. Далее происходит следующее. Через пару секунд кабина машиниста проходит над электромагнитом, который связан со светофором. Если тот дает поезду зеленую улицу, то электромагнит оказывается под напряжением и ось постоянного магнита в вагоне поворачивается в свое первоначальное положение, выключая сигнал в кабине. Когда же на светофоре горит красный или желтый свет, электромагнит бывает выключен, и тогда после некоторой задержки автоматически включается тормоз, если, конечно, это забыл сделать машинист. Тормозная цепь (как и звуковой сигнал) подключается к сети с момента поворота оси магнита. Если магнит во время задержки возвращается в первоначальное положение, то тормоз не включается.

Магнитное поле катушки: электромагниты

 

Бегущий по проводам электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Человек не был бы собой, если бы не придумал, как использовать такое замечательное свойство тока. На основе этого явления человек создал электромагниты.

Их применение очень широко и повсеместно в современном мире. Электромагниты замечательны тем, что в отличие от постоянных магнитов, их можно включать и выключать при необходимости, а также менять силу магнитного поля вокруг них. Каким образом используются магнитные свойства тока? Как создаются и используются электромагниты?

Магнитное поле катушки с током

В результате экспериментов удалось выяснить, что магнитное поле вокруг проводника с током можно усилить, если провод свернуть в форме спирали. Получается своего рода катушка. Магнитное поле такой катушки много больше магнитного поля одинокого проводника.

Причем силовые линии магнитного поля катушки с током располагаются схожим образом с силовыми линиями обычного прямоугольного магнита. Катушка имеет два полюса и дугами расходящиеся магнитные линии вдоль катушки. Такой магнит можно в любой момент включить и выключить, соответственно, включая и выключая ток в проводах катушки.

Способы влияния на магнитные силы катушки

Однако, оказалось, что катушка с током имеет и другие замечательные свойства. Чем из большего количества витков состоит катушка, тем сильнее становится магнитное поле. Это позволяет собирать магниты различной силы действия. Однако есть более простые способы воздействия на величину магнитного поля.

Так, при увеличении силы тока в проводах катушки возрастает сила магнитного поля, и, наоборот, при уменьшении силы тока, магнитное поле ослабевает. То есть, при элементарном подключении реостата, мы получаем регулируемый магнит.

Магнитное поле катушки с током можно значительно усилить, введя внутрь спирали железный стержень. Он называется сердечником. Применение сердечника позволяет создавать очень мощные магниты. Например, в производстве используют магниты, способные поднимать и удерживать несколько десятков тонн веса. Это достигается следующим образом.

Сердечник изгибают в виде дуги, а на два его конца надевают две катушки, по которым пускают ток. Катушки соединяют проводами 4е так, что их полюса совпадают. Сердечник усиливает их магнитное поле. Снизу к этой конструкции подводят пластину с крюком, на который подвешивают груз. Подобные устройства используют на заводах и в портах для того, чтобы перемещать грузы очень большого веса. Эти грузы легко подсоединяются и отсоединяются при включении и отключении тока в катушках.

Электромагниты и их применение

Электромагниты используют настолько повсеместно, что, пожалуй, трудно назвать электромеханический прибор, в котором бы они не применялись. Двери в подъездах удерживаются электромагнитами.

Электродвигатели самых различных устройств преобразуют электрическую энергию в механическую с помощью электромагнитов. Звук в колонках создается с помощью магнитов. И это далеко не полный список. Огромное количество удобств современной жизни обязано своим существованием применению электромагнитов.

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Магнитное поле: силовые линии магнитного поля
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspПостоянные магниты: магнитное поле Земли

Все неприличные комментарии будут удаляться.