fon1

Магнитное поле тока и катушки.

Магнитное поле

Магнетизмом называется способность некоторых тел притягивать к себе стальные предметы.
magnit Магнит, который каждый из нас когда нибудь видел, обладает способностью магнетизма. Если магнит разрезать , то его части также будут иметь опять по два полюса. magnit2 И на сколько бы частей не был разделен магнит, каждая часть всегда будет иметь два полюса по концам, и никогда нельзя получить магнит с одним полюсом.

Поднося магниты друг к другу разными полюсами можно установить, что магнитные полюса взаимодействуют как и электрические заряды между собой, т.е. разноименные притягиваются, а одноименные - отталкиваются.
Эти силы притяжения и отталкивания показывает наличие магнитного поля вокруг полюсов. При отдалении от магнита эти силы ослабевают.

Как показывают опыты, магнитное поле действует не только через воздух, но и через другие диэлектрические материалы (стекло, картон, бумагу и т.д.) и только материалы из стали сильно ослабляют действие магнитов.
Находясь возле магнита стальные предметы намагничиваются и становятся магнитами.
Если применяются предметы из твердой (закаленной) стали, то они долго сохраняют магнитные свойства и ими можно пользоваться как постоянными магнитами.
Мягкая сталь становится магнитной только на время намагничивания. При удалении от магнита она теряет магнитные свойства.

Как же происходит намагничивание?
Из теории известно, что каждое вещество состоит из атомов в которых вокруг ядра вращаются электроны, создавая кольцевой формы элементарный проводничок с током - кольцевой ток. magnit3 Этот кольцевой ток создает свое магнитное поле (на рисунке - маленькие стрелочки выходящие из кольцевого тока) с магнитными полюсами. Когда тело не намагничено, кольцевые токи не создают результирующего магнитного поля, т.к. электроны хаотично вращаются в разные стороны и их магнитные поля взаимно уничтожаются (рис.а).
Если, допустим, мягкую сталь поместить в магнитное поле магнита, то кольцевые токи будут под действием магнитного поля разворачиваться и располагаться своими торцами перпендикулярно к его силовым линиям, создавая общее результирующее поле (рис.b). Это поле и образует из стали магнит.
По окончанию действия внешнего магнитного поля кольцевые токи снова вернуться в беспорядочное вращение и мягкая сталь размагнитится.
В твердой (закаленной) стали элементарным кольцевым токам трудно возвращаться к беспорядочному вращению и поэтому в такой стали долго сохраняются магнитные свойства.
magnit4 Магнитное поле невидимо, но его существование можно определить если насыпать на лист картона железные опилки и под него положить магнит.
Железные опилки, как маленькие магнитики, займут определенные положения по направлению магнитных силовых линий полюсов магнита(рис.с). На рис. свидно, что в середине магнита результирующее силовое поле будет минимальное и в определенной точке будет равно нулю.
На самом то деле, конечно, в магнитном поле никаких линий нет, но они помогают изобразить это поле графически. При этом принято считать, что эти линии идут снаружи магнита по направлению от северного полюса к южному, а внутри магнита - от южного к северному (рис.d). То есть силовые магнитные линии будут всегда замкнуты.

Чтобы определить полюса магнита нужно подвесить магнит на нитке за его середину и он повернется так, что одним magnit1 своим полюсом будет указывать на юг (S), а другим на север (N), т.к. наша Земля тоже является большим магнитом со своими магнитными полюсами.
planeta15 На северном географическом полюсе находится южный магнитный полюс, а на южном географическом - северный магнитный полюс.
Так как магниты притягиваются противоположными полюсами, значить северный полюс магнита будет указывать на северный географический полюс, а южный полюс магнита - на южный географический полюс. Полюса магнита так и принято называть - северный и южный полюса.
В устройсве магнитного компаса используется именно это свойство, только вместо магнита используется легкая намагниченная стрелка.

Магнитное поле тока

el.magnit

Раньше наука рассматривала явление магнетизма связанное только с постоянными магнитами. Но в 19 веке ученые доказали связь магнетизма и электричества. Доказательством этой связи будет опыт с катушкой c металлическим сердечником, подключенной к источнику питания.
При подаче напряжения на катушку сердечник намагничивается и становится электромагнитом, который притягивает металлическую стружку. Когда выключается источник тока, сердечник теряет свои магнитные свойства.

Так каким образом электрический ток намагничивает металлический сердечник?
Видимо вокруг проводов катушки создается магнитное поле, которое и намагничивает сердечник.

Магнитное поле прямолинейного проводника

Проверим наличие магнитного поля у прямолинейного проводника, поместив магнитную стрелку под проводом по которому проходит ток.
При изменении направления тока стрелка будет отклонятся в ту или иную сторону и стоять под углом к проводнику, который меняется от величины тока в проводе. pole prov1 Чем больше ток в проводнике, тем на больший угол поворачивается стрелка.
При определенным электрическом токе магнитная стрелка установится перпендикулярно проводу и будет находится в таком положении даже при ее движении вдоль проводника.
Это значит, что вдоль всего проводника присуствует магнитное поле, на которое и реагирует намагниченная стрелка.

pole prov2

Чтобы "увидеть" магнитное поле проводника пропустим провод через лист картона на котором рассыпаны металлические опилки. При подаче тока через проводник, из опилок образуются концентрические окружности, которые показывают магнитные силовые линии проводника. Если менять направление тока - будет меняться и направление силовых линий, что и показывают магнитные стрелки в магнитном поле проводника.

vint1

Чтобы определить в прямолинейном проводнике направление магнитного поля, зная направление тока, пользуются правилом правого винта (буравчика), который гласит: если ввинчивать винт в направлении движения тока в проводнике, то направление его вращения показывает направление магнитных силовых линий.

Магнитное поле катушки

colenoid

Если провод свернуть в спираль или намотать на катушку, а затем подать на него ток, то магнитные поля суммируются от каждого витка и внутри катушки образуется сильное магнитное поле. Магнитное поле катушки (соленоида) будет тем больше, чем больше величина протекающего тока в катушке и чем больше витков в катушке.
Магнитное поле катушки похоже на поле постоянного магнита: такое же магнитное поле, такие же силовые линии, такие же северный и южный полюса.
Определить полюса нетрудно опять же по правилу правого винта (буравчика): если вращать винт по направлению тока в витках катушки, то поступательное движение винта покажет направление магнитных силовых линий.
Северный полюс катушки будет там, откуда силовые линии будут выходить из катушки, а куда будут входить - южный полюс.

Если в катушку вставить стальной сердечник, то это приведет к большому усилению ее магнитных свойств.
vint2 Причина этого усиления, во - первых: сталь имеет малое магнитное сопротивление в отличие от воздуха. Поэтому магнитному потоку легче пройти в стали и сконцентрироваться в стержне. Во - вторых : сталь имеет свойство намагничиваться за счет магнитных полей кольцевых токов электронов железа (см. выше "Магнитное поле"). В результате сложения магнитных полей катушки и сердечника получается суммирующий магнитный поток многократно превышающий поток катушки без сердечника.
Такими свойствами намагничивания обладают только железо, кобальт, никель и их сплавы, которые образуют ферромагнитную группу. Медь, цинк, алюминий и пр. не обладают магнитными свойствами.

Электромагнитная индукция

Выше уже рассматривалось, как при прохождении электрического тока по проводнику вокруг него образуется магнитное поле. Но есть и обратное явление: создание электрического тока в магнитном поле.

induk1

Убедимся в этом, проведя следующий эксперимент: к катушке подключаем гальванометр и быстро опускаем и поднимаем в середину катушки постоянный магнит.
Когда опускаем магнит стрелка прибора отклонится в сторону от нуля, показывая наличие в катушке тока, а при остановке движения магнита она вернется на ноль. Вынимая магнит произойдет подобная картина, только стрелка отклонится в другую сторону, показывая ток противоположного знака.
Если поменяем полюса магнита, то получим почти тоже самое. Отличие будет лишь в том, что направление тока при опускании магнита будет противоположным, чем в первом случае.
induk2 Аналогичное явление получится если вместо постоянного магнита применим электромагнит, подключенный к источнику питания. Опуская и поднимая электромагнит получим такой же результат, как и при постоянным магните.

Из этого делаем вывод: при движении магнита возле проводов, когда происходит пересечение витков катушки с магнитным полем, в них индуктируется электродвижущая сила (ЭДС). И неважно, движутся ли силовые линии относительно проводника, или движется проводник относительно силовых линий.
Возникновение электрического тока в замкнутом проводнике в изменяющем магнитном поле , называется электромагнитной индукцией.
prav ruka ЭДС будет тем больше чем быстрее пересекаются между собой проводники и магнитные силовые линии; чем больше витков провода в катушке и чем сильнее магнитное поле.
Так же наибольшее значение электрического тока будет при движении проводника перпендикулярно силовым линиям. Если проводник движется под острым углом к силовым линиям, тогда ток уменьшается. При передвижении проводника параллельно силовым линиям в нем не будет никакого тока.

Практически направление индуктированной ЭДС определяется правилом правой руки: если правую руку поместить в магнитное поле так, чтобы силовые линии входили в ладонь, а отставленный большой палец показывал направление движения проводника (V), то остальные пальцы ладони покажут направление индуктированного напряжения (U).

Взаимная индукция

Взаимная индукция является одним из случаев электромагнитной индукции. Она образуется при наведение ЭДС индукции одной катушки от другой, в которой происходит изменение тока.

induk6

На рисунке показан опыт с двумя неподвижными катушками на стальном сердечнике, расположенных близко друг от друга.
При подаче от трансформатора на катушку L1 переменного напряжения в ней образуется магнитное поле в котором число силовых линий изменяется с частотой тока. Часть силовых линий попадают на витки катушки L2, пересекая их. Чем ближе катушки друг к другу, тем больше пересечений силовых линий с витками катушки. В результате на катушке L2 индукцируется переменное напряжение, которое и показывает вольтметр.
Но надо иметь в виду, что если на катушку L1 подать постоянное напряжение, на катушке L2 не будет наводиться ЭДС.
Величина индукцированной ЭДС зависит: от величины и частоты протекающего тока в катушке L1; от числа витков обеих катушек и от расстояния между катушками.
Взаимная индукция лежит в основе работы трансформаторов, катушек индуктивности в радиотехнике, ферромагнитных антенах в радиоприемниках и т.д.

Индуктивность

При протекании переменного тока через проводник магнитные силовые линии, появляющие при этом, будут пересекать этот проводник и, по закону электромагнитной индукции, в нем появится ЭДС самоиндукции.
Это явление первый изучил русский физик Э.Х. Ленц и сформулировал правило, которое гласит:
индукционный ток направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать изменению магнитного потока, которым он вызван.

induktivn

На рисунке наглядно видно, как при увеличении тока через проводник силовые магнитные линии расходятся от проводника концентрическими окружностями, а направление ЭДС самоиндукции противоположно току извне. Оно как бы "тормозит" увеличивающему внешнему току для того, чтобы оставить магнитный поток малым.
При уменьшении тока силовые линии сходятся к оси проводника, а направление ЭДС самоиндукции будет тоже, что и направление тока. В этом случае ЭДС "помогает" уменьшающему току сохранить большой магнитный поток.

Можно провести интересный опыт с лампочкой и силовым трансформатором, который демонстрирует явление индуктивности(рис.e).
induk5 Подключим постояное напряжение от источника питания через выключатель к первичной обмотке трансформатора. Выбираем первичную обмотку потому, что в ней много витков и значить при прохождении внешнего тока образуется большое магнитное поле. Параллельно первичной обмотке так же подключаем лампочку.
При включении выключателя лампочка загорается и светит нормально.
Выключив выключатель разрываем цепь тока, в результате чего силовые линии сходятся к центру, пересекая все витки обмотки. Наводится значительная ЭДС самоиндукции, которая "помогает" уменьшающему току, и лампочка вспыхивает ярче, а затем гаснет.
Проведенный опыт указывает на то, что магнитное поле тоже является носителем энергии, и при разрыве цепи эта энергия не исчезает, а переходит в энергию горения лампочки.

Свойство каждой катушки образовывать вокруг себя магнитные силовые линии при прохождении тока через ее витки называется индуктивностью.
Свойство индуктивности выражается в том, что при изменении величины тока через катушку индуктируется противодействующая электродвижущая сила.
Индуктивность зависит от количества витков в катушке. Чем больше витков, тем больше индуктивность данной катушки. Так же индуктивность зависит от длины катушки и сердечника катушки: из какого материала он изготовлен; длины и площади его поперечного сечения.

Единица измерения индуктивности называется генри (Г) в честь американского ученого Д.Генри.
Катушка будет иметь индуктивность 1 генри, если при изменении тока через нее на 1 ампер за 1 секунду на обоих концах ее возникает напряжение самоиндукции в 1 вольт.
Меньшими единицами индуктивности являются миллигенри и микрогенри:
1мГ=0,001Г
1мкГ=0,000 001Г.

<< Предыдущая Cледующая >>

Вверх

radionet