Om magnetfeltet, solenoider og elektromagneter
Magnetfelt af elektrisk strøm
Det magnetiske felt er ikke kun skabt af naturlige eller kunstige permanente magneter, men også en leder, hvis der går en elektrisk strøm igennem den. Derfor er der en sammenhæng mellem magnetiske og elektriske fænomener.
Det er ikke svært at sikre sig, at der dannes et magnetfelt omkring den ledning, som strømmen løber igennem. Placer en lige ledning over den bevægelige magnetiske nål parallelt med den, og før en elektrisk strøm gennem den. Pilen vil tage en position vinkelret på ledningen.
Hvilke kræfter kan få magnetnålen til at rotere? Det er klart, styrken af det magnetiske felt skabt omkring ledningen. Sluk for strømmen, og magnetnålen vender tilbage til sin normale position. Dette tyder på, at når strømmen slukkes, forsvinder også ledningens magnetiske felt.
Således skaber den elektriske strøm, der passerer gennem ledningen, et magnetfelt. Anvend højrehåndsreglen for at finde ud af, hvilken retning den magnetiske nål vil afbøje.Hvis du placerer din højre hånd på ledningen, med håndfladen nedad, så retningen af strømmen falder sammen med fingrenes retning, vil den bøjede tommelfinger vise retningen af afbøjningen af nordpolen af den magnetiske nål placeret under ledningen . Ved at bruge denne regel og kende pilens polaritet kan du også bestemme retningen af strømmen i ledningen.
Et retlinet trådmagmatisk felt har form af koncentriske cirkler. Hvis du placerer din højre hånd på ledningen, med håndfladen nedad, så strømmen løber fra fingrene, så vil den bøjede tommelfinger pege på magnetnålens nordpol Et sådant felt kaldes et cirkulært magnetfelt.
Retningen af kraftlinjerne i det cirkulære felt afhænger af retninger af elektrisk strøm i dirigenten og er bestemt af den såkaldte kardan-regel. Hvis kardanen er mentalt snoet i strømmens retning, vil rotationsretningen af dens håndtag falde sammen med retningen af feltets magnetiske feltlinjer. Ved at anvende denne regel kan du finde ud af retningen af strømmen i ledningen, hvis du kender retningen af feltlinjerne i feltet skabt af den strøm.
For at vende tilbage til eksperimentet med magnetnåle kan du sikre dig, at den altid er placeret med sin nordende i retning af magnetfeltlinjerne.
Der opstår således et magnetfelt omkring en lige ledning, hvorigennem en elektrisk strøm går. Det har form af koncentriske cirkler og kaldes et cirkulært magnetfelt.
Såler osv. Solenoid magnetfelt
Et magnetfelt opstår omkring enhver ledning, uanset dens form, forudsat at der løber en elektrisk strøm gennem ledningen.
V elektroteknik vi beskæftiger os med forskellige typer spolerbestående af et antal omgange.For at undersøge magnetfeltet for spolen af interesse, lad os først overveje, hvilken form magnetfeltet i en omgang har.
Forestil dig en spole af tyk ledning, der løber gennem et stykke pap og tilsluttet en strømkilde. Når en elektrisk strøm passerer gennem spolen, dannes et cirkulært magnetfelt omkring hver enkelt del af spolen. Ifølge «gimbal»-reglen er det let at bestemme, at magnetfeltlinjerne inde i sløjfen har samme retning (mod os eller væk fra os, afhængigt af strømmens retning i sløjfen), og de går ud fra den ene side af løkken og gå ind fra den anden side En række af sådanne spoler, i form af en spiral, er en såkaldt solenoide (spole).
Et magnetfelt dannes omkring solenoiden, når strøm passerer gennem den. Det opnås som et resultat af at tilføje de magnetiske felter for hver drejning og ligner i form magnetfeltet i en retlinet magnet. Solenoidens magnetfeltlinjer, som med en retlinet magnet, forlader den ene ende af solenoiden og vender tilbage til den anden. Inde i solenoiden har de samme retning. Således er enderne af solenoiden polariseret. Den ende, hvorfra elledningerne kommer ud, er solenoidens nordpol, og den ende, hvor elledningerne kommer ind, er dens sydpol.
Magnetpoler kan bestemmes af højrehåndsreglen, men for dette skal du kende retningen af strømmen i dens sving. Hvis du placerer din højre hånd på solenoiden med håndfladen nedad, så strømmen løber fra fingrene, så vil den bøjede tommelfinger pege mod solenoidens nordpol... Af denne regel følger det, at solenoidens polaritet afhænger på strømmens retning i den.Dette er nemt at kontrollere i praksis ved at føre en magnetnål til en af magnetpolerne og derefter ændre retningen af strømmen i magneten. Pilen vil straks rotere 180 °, det vil sige, at den vil vise, at polerne på solenoiden har ændret sig.
Solenoiden har evnen til at trække lungerne, støvende genstande. Hvis en stålstang placeres inde i solenoiden, vil stangen efter nogen tid under påvirkning af magnetfeltet i solenoiden blive magnetiseret. Denne metode bruges i produktionen permanente magneter.
Elektromagneter
Elektromagnet er en spole (solenoid) med en jernkerne placeret indeni. Formerne og størrelserne af elektromagneter er forskellige, men den generelle struktur af dem alle er den samme.
Spolen af en elektromagnet er en ramme lavet oftest af trykplade eller fiber og har forskellige former afhængigt af formålet med elektromagneten. En kobberisoleret ledning er viklet på rammen i flere lag - elektromagnetens spole. Den har et forskelligt antal vindinger og er lavet af ledninger med forskellige diametre, afhængigt af formålet med elektromagneten.
For at beskytte spolens isolering mod mekanisk beskadigelse er spolen dækket med et eller flere lag papir eller andet isolerende materiale. Begyndelsen og slutningen af viklingen bringes ud og forbindes til udgangsterminalerne fastgjort på rammen eller til fleksible ledninger med ører i enderne.
Elektromagnetens spole er monteret på en kerne lavet af blødt, udglødet jern eller legeringer af jern med silicium, nikkel osv. Dette jern har den mindste rest magnetisme... Kernerne er oftest lavet af tynde plader, isoleret fra hinanden.Formerne på kernen kan være forskellige, afhængigt af formålet med elektromagneten.
Hvis en elektrisk strøm går gennem spolen på en elektromagnet, dannes der et magnetfelt omkring spolen, som magnetiserer kernen. Da kernen er lavet af blødt jern, vil den straks blive magnetiseret. Hvis man så slukker for strømmen, vil kernens magnetiske egenskaber også hurtigt forsvinde, og den holder op med at være en magnet. Polerne af en elektromagnet, ligesom en solenoid, bestemmes af højrehåndsreglen. Hvis i elektromagnetens spole og gmEat nuværende retning, så vil elektromagnetens polaritet ændre sig tilsvarende.
Virkningen af en elektromagnet ligner den af en permanent magnet. Der er dog stor forskel på de to. En permanent magnet er altid magnetisk, og en elektromagnet - kun når en elektrisk strøm passerer gennem dens spole.
Derudover er tiltrækningskraften af den permanente magnet uændret, da den magnetiske flux af en permanent magnet er uændret. En elektromagnets tiltrækningskraft er ikke konstant Den samme elektromagnet kan have forskellig tyngdekraft. Tiltrækningskraften af enhver magnet afhænger af størrelsen af dens magnetiske flux.
Tiltrækningen af en siltelektromagnet, og derfor dens magnetiske flux, afhænger af størrelsen af strømmen, der passerer gennem denne elektromagnets spole. Jo større strøm, jo større tiltrækningskraft af elektromagneten og omvendt, jo mindre strøm i elektromagnetens spole, jo mindre kraft tiltrækker den magnetiske legemer til sig selv.
Men for elektromagneter af forskellig design og størrelse afhænger styrken af deres tiltrækning ikke kun af størrelsen af strømmen i spolen.Hvis vi for eksempel tager to elektromagneter af samme enhed og størrelse, men den ene med et lille antal spoler og den anden med et meget større antal, så er det let at se, at tiltrækningskraften ved samme strøm sidstnævnte vil være meget større. Faktisk, jo større antal spoler, jo større, ved en given strøm, er det magnetiske felt, der skabes omkring den spole, da det består af magnetfelterne for hver vinding. Dette betyder, at den magnetiske flux af elektromagneten og følgelig kraften af dens tiltrækning vil være større, jo større antallet af vindinger af spolen.
Der er en anden grund, der påvirker størrelsen af den magnetiske flux af en elektromagnet. Dette er kvaliteten af dets magnetiske kredsløb. Et magnetisk kredsløb er den vej, langs hvilken den magnetiske flux lukkes. Det magnetiske kredsløb har en vis magnetisk modstand... Den magnetiske modstand afhænger af den magnetiske permeabilitet af mediet, som den magnetiske flux passerer igennem. Jo større magnetisk permeabilitet af dette medium, jo lavere er dets magnetiske modstand.
Da den mmagnetiske permeabilitet af ferromagnetiske legemer (jern, stål) er mange gange større end den magnetiske permeabilitet af luft, er det derfor mere rentabelt at lave elektromagneter, så deres magnetiske kredsløb ikke indeholder luftsektioner. Produktet af strømmens styrke og antallet af vindinger af elektromagnetens spole kaldes den magnetomotoriske kraft... Den magnetomotoriske kraft måles ved antallet af ampere-omdrejninger.
For eksempel strømmer en strøm på 50 mA gennem spolen på en elektromagnet med 1200 omdrejninger. Magnetomotorisk kraft af en sådan elektromagnet lig med 0,05 NS 1200 = 60 ampere.
Virkningen af den magnetomotoriske kraft svarer til virkningen af den elektromotoriske kraft i et elektrisk kredsløb. Ligesom EMF er årsagen til elektrisk strøm, skaber magnetomotorisk kraft magnetisk flux i en elektromagnet. Ligesom i et elektrisk kredsløb, når EMF stiger, stiger værdien af strømmen, så i et magnetisk kredsløb, når den magnetomotoriske kraft stiger, stiger den magnetiske flux.
Magnetisk modstandsvirkning svarende til virkningen af elektrisk kredsløbsmodstand. Ligesom når modstanden i et elektrisk kredsløb stiger, falder strømmen, så i et magnetisk kredsløb forårsager en stigning i den magnetiske modstand et fald i den magnetiske flux.
Afhængigheden af en elektromagnets magnetiske flux af den magnetomotoriske kraft og dens magnetiske modstand kan udtrykkes ved en formel svarende til formlen for Ohms lov: magnetomotorisk kraft = (magnetisk flux / reluktans)
Den magnetiske flux er lig med den magnetomotoriske kraft divideret med reluktansen.
Antallet af vindinger af spolen og den magnetiske modstand for hver elektromagnet er en konstant værdi. Derfor ændres den magnetiske flux af en given elektromagnet kun med en ændring i strømmen, der løber gennem spolen. Da tiltrækningskraften af en elektromagnet er bestemt af dens magnetiske flux, for at øge (eller mindske) tiltrækningskraften af en elektromagnet, er det nødvendigt at øge (eller mindske) strømmen i dens spole tilsvarende.
Polariseret elektromagnet
En polariseret elektromagnet er koblingen af en permanent magnet til en elektromagnet. Det er arrangeret på denne måde.De såkaldte forlængelser af de bløde jernstænger er fastgjort til polerne på den permanente magnet.Hver pol fungerer som en elektromagnetisk kerne, hvorpå der er anbragt en spole med en spole. Begge spoler er forbundet i serie.
Da polforlængelserne er direkte forbundet med polerne på en permanent magnet, har de magnetiske egenskaber selv i fravær af strøm i spolerne; samtidig er deres tiltrækningskraft uændret og bestemmes af den magnetiske flux af en permanent magnet.
Virkningen af en polariseret elektromagnet er, at når strømmen flyder gennem dens spoler, øges eller falder tiltrækningskraften af dens poler afhængigt af størrelsen og retningen af strømmen i spolerne. Denne egenskab ved en polariseret elektromagnet er baseret på handlingen elektromagnetisk polariseret relæ og andre elektriske apparater.
Virkningen af et magnetfelt på en strømførende leder
Hvis en ledning placeres i et magnetfelt, så den er vinkelret på feltlinjerne, og der går en elektrisk strøm gennem den ledning, vil ledningen begynde at bevæge sig og blive skubbet af magnetfeltet.
Som et resultat af det magnetiske felts interaktion med den elektriske strøm begynder lederen at bevæge sig, det vil sige, at den elektriske energi omdannes til mekanisk energi.
Den kraft, hvormed ledningen frastødes af magnetfeltet, afhænger af størrelsen af magnetens magnetiske flux, strømmen i ledningen og længden af den del af ledningen, som kraftlinjerne krydser. Virkningsretningen af denne kraft, det vil sige lederens bevægelsesretning, afhænger af strømmens retning i lederen og bestemmes af venstrehåndsreglen.
Hvis du holder håndfladen på din venstre hånd, så magnetfeltets linjer kommer ind i den, og de forlængede fire fingre drejes i retning af strømmen i lederen, vil den bøjede tommelfinger angive lederens bevægelsesretning ... Når du anvender denne regel, skal du huske, at feltlinjerne strækker sig fra magnetens nordpol.