Beras. 6.23. Garis medan magnet medan: 1 - solenoida; 2 - magnet strip

Medan magnet solenoida menyerupai medan magnet batang (Gbr. 6.23-2).

Jika lilitannya dililit rapat, maka solenoida adalah sistem arus melingkar yang memiliki satu sumbu.

Jika kita menganggap solenoida cukup panjang, maka medan magnet di dalam solenoida seragam dan diarahkan sejajar dengan sumbu. Di luar solenoida, jauh dari tepi, medan magnet juga harus memiliki arah yang sejajar dengan sumbu dan, pada jarak yang jauh dari solenoida, harus sangat lemah. Medan berkurang menurut hukum

Mari kita hitung medan di dalam solenoida. Ambil elemen solenoida dengan panjang dh di kejauhan h dari titik pengamatan. Jika kumparan memiliki n ternyata per satuan panjang, maka elemen yang dipilih mengandung ndh ternyata. Menurut rumus (6.11), elemen ini menciptakan medan magnet

Mengintegrasikan seluruh panjang solenoida, kami memperoleh

Jadi, medan dalam solenoida yang panjangnya tak terhingga diberikan oleh

Dalam praktiknya, panjang solenoida tidak terhingga. Mari kita lihat beberapa contoh untuk mengilustrasikannya.

Contoh 1 Temukan medan magnet di tengah-tengah solenoida yang panjangnya berhingga aku(Gbr. 6.24). Bandingkan dengan bidang solenoida yang panjangnya tak terhingga. Dalam kondisi apa perbedaannya kurang dari 0,5%?

Beras. 6.24. Medan magnet dari sebuah kumparan dengan panjang terbatas
Di pusat solenoida, medan magnet hampir seragam dan secara signifikan melebihi nilai absolut medan di luar koil

Larutan. Medan magnet di titik tengah sumbu solenoida dengan panjang terbatas aku diberikan oleh integral yang sama (6.19), tetapi dengan batas integrasi yang berbeda

Jika panjang solenoida jauh lebih besar dari diameternya ( aku >> 2R), kita kembali ke rumus medan dalam solenoida yang panjangnya tak terhingga (6.20). Perbedaan relatif antara kedua nilai ini adalah

Menurut kondisinya, perbedaan ini kecil: , yaitu perbandingan diameter solenoida dengan panjangnya kecil: 2 R/aku << 1. Поэтому можно воспользоваться формулой разложения квадратного корня

Mengganti nilai numerik d, kami menemukan bahwa perbedaannya akan kurang dari setengah persen ketika hubungan terpenuhi

Dengan kata lain, sebuah solenoida dapat dianggap panjang tak terhingga jika panjangnya dua puluh kali atau lebih jari-jarinya.

Contoh 2 Temukan medan magnet dalam e pada titik ujung ekstrim dari sumbu solenoida dengan panjang terbatas aku. Bandingkan dengan hasil contoh sebelumnya.

Larutan. Medan magnet pada titik akhir sumbu solenoida dengan panjang terbatas aku diberikan oleh integral yang sama (6.19), tetapi sekarang batas integrasi akan terlihat berbeda

Perbandingan medan pada titik tengah dan ekstrim dari sumbu solenoida sama dengan

Rasio ini selalu kurang dari satu (yaitu, medan di ujung lebih kecil dari medan di tengah solenoida). Pada aku >> R kita punya

Hasil ini mudah dipahami. Bayangkan sebuah solenoida tak terbatas, yang secara mental terbelah dua pada titik pengamatan. Kita dapat berasumsi bahwa medan pada titik ini dibuat oleh dua solenoida identik "semi-tak terbatas" yang terletak di sisi yang berlawanan. Jelas bahwa ketika salah satunya dihilangkan, titik pengamatan menjadi permukaan akhir dari solenoida "semi-tak terbatas" yang tersisa, dan induksi magnetik di dalamnya berkurang persis dengan faktor dua.

Inilah yang disebut efek tepi. Contoh tersebut menunjukkan bahwa memenuhi relasi saja tidak cukup aku >> R menggunakan rumus untuk solenoida yang panjangnya tak terhingga; juga perlu bahwa titik pengamatan jauh dari ujungnya.

pada gambar. 6.25 menyajikan pengalaman mempelajari distribusi garis medan magnet di sekitar solenoida. Bidang solenoida, yang sumbunya terletak pada bidang pelat, terkonsentrasi terutama di dalam solenoida. Garis-garis gaya di dalam berbentuk garis lurus sejajar sepanjang sumbu kumparan, dan medan di luar praktis tidak ada.

Beras. 6.25. Visualisasi garis medan magnet

Medan magnet arus listrik

Medan magnet dibuat tidak hanya oleh yang alami atau buatan, tetapi juga oleh konduktor jika arus listrik melewatinya. Oleh karena itu, ada hubungan antara fenomena magnet dan listrik.

Tidak sulit untuk memastikan bahwa medan magnet terbentuk di sekitar konduktor yang dilalui arus. Di atas jarum magnet yang dapat digerakkan, letakkan konduktor lurus sejajar dengannya dan berikan arus listrik melaluinya. Panah akan mengambil posisi tegak lurus terhadap konduktor.

Kekuatan apa yang bisa membuat jarum magnet berputar? Jelas, kekuatan medan magnet yang muncul di sekitar konduktor. Matikan arus, dan jarum magnet akan kembali ke posisi normal. Ini menunjukkan bahwa dengan arus dimatikan, medan magnet konduktor juga menghilang.

Dengan demikian, arus listrik yang melewati konduktor menciptakan medan magnet. Untuk mengetahui ke arah mana jarum magnet akan menyimpang, terapkan aturan tangan kanan. Jika tangan kanan diletakkan di atas penghantar dengan telapak tangan menghadap ke bawah sehingga arah arus searah dengan arah jari-jari tangan, maka ibu jari yang ditekuk akan menunjukkan arah deviasi kutub utara jarum magnet yang diletakkan di bawah penghantar. . Dengan menggunakan aturan ini dan mengetahui polaritas panah, Anda juga dapat menentukan arah arus dalam konduktor.

Medan magnet penghantar lurus memiliki bentuk lingkaran konsentris. Jika Anda meletakkan tangan kanan Anda di atas konduktor dengan telapak tangan menghadap ke bawah sehingga arus seolah-olah keluar dari jari-jari Anda, maka ibu jari yang ditekuk akan menunjuk ke kutub utara jarum magnet.Medan seperti ini disebut medan magnet melingkar.

Arah garis-garis gaya medan melingkar bergantung pada konduktor dan ditentukan oleh apa yang disebut Aturan "Gimlet". Jika gimlet secara mental disekrup ke arah arus, maka arah putaran pegangannya akan bertepatan dengan arah garis gaya medan magnet. Dengan menerapkan aturan ini, Anda dapat mengetahui arah arus dalam penghantar, jika Anda mengetahui arah garis medan medan yang dibuat oleh arus ini.

Kembali ke eksperimen dengan jarum magnet, orang dapat diyakinkan bahwa jarum itu selalu terletak dengan ujung utaranya searah dengan garis-garis medan magnet.

Jadi, Sebuah konduktor lurus yang membawa arus listrik menciptakan medan magnet di sekitarnya. Ini memiliki bentuk lingkaran konsentris dan disebut medan magnet melingkar.

acar e. Medan magnet solenoida

Medan magnet muncul di sekitar konduktor apa pun, terlepas dari bentuknya, asalkan arus listrik melewati konduktor.

Dalam teknik listrik, kita berhadapan dengan, terdiri dari sejumlah belokan. Untuk mempelajari medan magnet dari kumparan yang menarik bagi kita, pertama-tama kita pertimbangkan apa bentuk medan magnet dari satu putaran.

Bayangkan sebuah gulungan kawat tebal menembus selembar karton dan terhubung ke sumber arus. Ketika arus listrik melewati sebuah kumparan, medan magnet melingkar terbentuk di sekitar setiap bagian dari kumparan. Menurut aturan "gimlet", mudah untuk menentukan bahwa garis gaya magnet di dalam kumparan memiliki arah yang sama (menuju atau menjauh dari kita, tergantung pada arah arus dalam kumparan), dan mereka keluar dari satu sisi kumparan dan masuk ke sisi yang lain. Serangkaian kumparan semacam itu, yang berbentuk spiral, disebut solenoida (kumparan).

Di sekitar solenoida, ketika arus melewatinya, medan magnet terbentuk. Itu diperoleh dengan menambahkan medan magnet masing-masing kumparan dan menyerupai medan magnet magnet bujursangkar. Garis-garis gaya medan magnet solenoida, serta dalam magnet bujursangkar, keluar dari satu ujung solenoida dan kembali ke ujung lainnya. Di dalam solenoida, mereka memiliki arah yang sama. Dengan demikian, ujung-ujung solenoida memiliki polaritas. Ujung dari mana garis gaya keluar adalah kutub Utara solenoida, dan ujung tempat masuknya garis-garis gaya adalah kutub selatannya.

Kutub solenoida dapat ditentukan dengan aturan tangan kanan, tetapi untuk ini Anda perlu mengetahui arah arus pada putarannya. Jika Anda meletakkan tangan kanan di atas solenoida dengan telapak menghadap ke bawah, sehingga arus seolah-olah keluar dari jari-jari, maka ibu jari yang ditekuk akan menunjuk ke kutub utara solenoida.. Dari aturan ini dapat disimpulkan bahwa polaritas solenoida tergantung pada arah arus di dalamnya. Sangat mudah untuk memverifikasi ini dalam praktik dengan membawa jarum magnet ke salah satu kutub solenoida dan kemudian mengubah arah arus dalam solenoida. Panah akan langsung berubah 180 °, yaitu, ini akan menunjukkan bahwa kutub solenoida telah berubah.

Solenoid memiliki sifat menarik benda-benda besi ringan ke dalam dirinya sendiri. Jika batang baja ditempatkan di dalam solenoida, maka setelah beberapa saat, di bawah pengaruh medan magnet solenoida, batang tersebut akan menjadi magnet. Metode ini digunakan dalam pembuatan.

Elektromagnet

Ini adalah kumparan (solenoid) dengan inti besi ditempatkan di dalamnya. Bentuk dan ukuran elektromagnet bervariasi, tetapi susunan umum dari semuanya adalah sama.

Kumparan elektromagnet adalah bingkai, paling sering terbuat dari papan penekan atau serat, dan memiliki berbagai bentuk tergantung pada tujuan elektromagnet. Kawat berinsulasi tembaga dililitkan pada bingkai dalam beberapa lapisan - belitan elektromagnet. Ini memiliki jumlah belokan yang berbeda dan terbuat dari kawat dengan diameter berbeda, tergantung pada tujuan elektromagnet.

Untuk melindungi insulasi belitan dari kerusakan mekanis, belitan ditutup dengan satu atau lebih lapisan kertas atau bahan insulasi lainnya. Awal dan akhir belitan dibawa keluar dan dihubungkan ke terminal keluaran yang dipasang pada rangka, atau ke konduktor fleksibel dengan lug di ujungnya.

Kumparan elektromagnet dipasang pada inti yang terbuat dari besi lunak, anil atau paduan besi dengan silikon, nikel, dll. Besi tersebut memiliki sisa paling sedikit. Core paling sering dibuat komposit dari lembaran tipis yang diisolasi satu sama lain. Bentuk inti dapat berbeda, tergantung pada tujuan elektromagnet.

Jika arus listrik dilewatkan melalui belitan elektromagnet, maka medan magnet terbentuk di sekitar belitan, yang memagnetisasi inti. Karena inti terbuat dari besi lunak, maka akan langsung termagnetisasi. Jika arus dimatikan, sifat kemagnetan inti juga akan cepat hilang, dan itu akan berhenti menjadi magnet. Kutub elektromagnet, seperti solenoida, ditentukan oleh aturan tangan kanan. Jika belitan elektromagnet diubah, maka polaritas elektromagnet akan berubah.

Tindakan elektromagnet mirip dengan magnet permanen. Namun, ada perbedaan besar di antara mereka. Magnet permanen selalu memiliki sifat magnetik, dan elektromagnet hanya jika arus listrik melewati belitannya.

Selain itu, gaya tarik magnet permanen tidak berubah, karena fluks magnet magnet permanen tidak berubah. Gaya tarik-menarik elektromagnet tidak bernilai konstan. Elektromagnet yang sama dapat memiliki gaya tarik menarik yang berbeda. Gaya tarik magnet tergantung pada besarnya fluks magnetnya.

Gaya tarik-menarik, dan karenanya fluks magnetnya, bergantung pada besarnya arus yang melewati belitan elektromagnet ini. Semakin besar arus, semakin besar gaya tarik elektromagnet, dan, sebaliknya, semakin kecil arus dalam belitan elektromagnet, semakin kecil gaya yang menarik benda magnet ke dirinya sendiri.

Tetapi untuk elektromagnet dengan berbagai desain dan ukuran, gaya tariknya tidak hanya bergantung pada besarnya arus dalam belitan. Jika, misalnya, kita mengambil dua elektromagnet dari perangkat dan dimensi yang sama, tetapi satu dengan jumlah belitan yang sedikit, dan yang lainnya dengan jumlah yang jauh lebih besar, maka mudah untuk melihat bahwa dengan arus yang sama gaya tarik menarik yang terakhir akan jauh lebih besar. Memang, semakin besar jumlah belitan belitan, semakin besar pada arus yang diberikan medan magnet dibuat di sekitar belitan ini, karena terdiri dari medan magnet setiap belokan. Ini berarti bahwa fluks magnet elektromagnet, dan karenanya gaya tarik-menariknya, akan semakin besar, semakin besar jumlah belitan yang dimiliki belitan.

Ada alasan lain yang mempengaruhi besarnya fluks magnet suatu elektromagnet. Ini adalah kualitas sirkuit magnetiknya. Sirkuit magnetik adalah jalur di mana fluks magnet menutup. Sirkuit magnetik memiliki tertentu resistensi magnet. Resistansi magnetik tergantung pada permeabilitas magnetik medium yang dilalui fluks magnet. Semakin besar permeabilitas magnetik media ini, semakin rendah resistansi magnetiknya.

Sejak m permeabilitas magnetik benda feromagnetik (besi, baja) berkali-kali lebih besar daripada permeabilitas magnetik udara, oleh karena itu lebih menguntungkan untuk membuat elektromagnet sehingga sirkuit magnetiknya tidak mengandung bagian udara. Hasil kali arus dan jumlah lilitan pada elektromagnet disebut gaya gerak magnet. Gaya gerak magnet diukur dengan jumlah lilitan ampere.

Misalnya, belitan elektromagnet yang memiliki 1200 putaran membawa arus sebesar 50 mA. Kekuatan motif magnet elektromagnet seperti itu sama dengan 0,05 x 1200 = 60 putaran ampere.

Aksi gaya gerak magnet mirip dengan gaya gerak listrik dalam rangkaian listrik. Sama seperti EMF menyebabkan arus listrik, gaya magnetomotive menciptakan fluks magnet dalam elektromagnet. Seperti halnya dalam rangkaian listrik, dengan peningkatan EMF, arus harga meningkat, demikian pula dalam rangkaian magnet, dengan peningkatan gaya gerak magnet, fluks magnet meningkat.

Tindakan resistensi magnet mirip dengan aksi hambatan listrik dari rangkaian. Karena arus berkurang dengan peningkatan resistansi rangkaian listrik, demikian juga dalam rangkaian magnetik kenaikan tahanan magnet menyebabkan penurunan fluks magnet.

Ketergantungan fluks magnet elektromagnet pada gaya gerak magnet dan hambatan magnetnya dapat dinyatakan dengan rumus yang mirip dengan rumus hukum Ohm: gaya gerak magnet \u003d (fluks magnet / hambatan magnet)

Fluks magnet sama dengan gaya gerak magnet dibagi dengan hambatan magnet.

Jumlah lilitan belitan dan resistansi magnet untuk setiap elektromagnet adalah nilai konstan. Oleh karena itu, fluks magnet dari elektromagnet yang diberikan hanya berubah dengan perubahan arus yang melewati belitan. Karena gaya tarik elektromagnet ditentukan oleh fluks magnetnya, untuk menambah (atau mengurangi) gaya tarik elektromagnet, perlu untuk menambah (atau mengurangi) arus dalam belitannya.

elektromagnet terpolarisasi

Elektromagnet terpolarisasi adalah kombinasi dari magnet permanen dan elektromagnet. Itu diatur sedemikian rupa. Apa yang disebut ekstensi tiang besi lunak yang melekat pada kutub magnet permanen. Setiap perpanjangan kutub berfungsi sebagai inti elektromagnet, sebuah kumparan dengan belitan dipasang di atasnya. Kedua belitan dihubungkan secara seri.

Karena perpanjangan kutub secara langsung melekat pada kutub magnet permanen, mereka memiliki sifat magnetik bahkan tanpa adanya arus dalam belitan; pada saat yang sama, gaya tarik mereka tidak berubah dan ditentukan oleh fluks magnet dari magnet permanen.

Tindakan elektromagnet terpolarisasi adalah ketika arus melewati belitannya, gaya tarik kutubnya meningkat atau menurun tergantung pada besar dan arah arus dalam belitan. Pada sifat elektromagnet terpolarisasi ini, aksi dari alat listrik.

Aksi medan magnet pada konduktor pembawa arus

Jika suatu penghantar ditempatkan dalam suatu medan magnet sehingga letaknya tegak lurus terhadap garis-garis medan, dan arus listrik dilewatkan melalui penghantar ini, maka penghantar tersebut akan bergerak dan akan terdorong keluar dari medan magnet tersebut.

Sebagai hasil dari interaksi medan magnet dengan arus listrik, konduktor bergerak, yaitu, energi listrik diubah menjadi energi mekanik.

Gaya yang mendorong konduktor keluar dari medan magnet tergantung pada besarnya fluks magnet magnet, kekuatan arus dalam konduktor dan panjang bagian konduktor yang dilintasi garis medan. Arah gaya ini, yaitu arah pergerakan konduktor, tergantung pada arah arus dalam konduktor dan ditentukan oleh aturan tangan kiri.

Jika Anda memegang telapak tangan kiri Anda sehingga termasuk garis medan magnet, dan empat jari yang terentang menghadap ke arah arus dalam penghantar, maka ibu jari yang ditekuk akan menunjukkan arah gerakan penghantar.. Ketika menerapkan aturan ini, kita harus ingat bahwa garis-garis medan keluar dari kutub utara magnet.

solenoida disebut kumparan berbentuk silinder yang terbuat dari kawat, yang belitannya dililit erat dalam satu arah, dan panjang kumparan jauh lebih besar daripada jari-jari belokan.

Medan magnet solenoida dapat direpresentasikan sebagai hasil penambahan medan yang diciptakan oleh beberapa arus melingkar yang memiliki sumbu yang sama. Gambar 3 menunjukkan bahwa di dalam solenoida garis-garis induksi magnet pada setiap belokan memiliki arah yang sama, sedangkan antara belokan yang berdekatan arahnya berlawanan.

Oleh karena itu, dengan belitan solenoida yang cukup padat, bagian-bagian yang berlawanan arah dari garis induksi magnetik dari belokan yang berdekatan saling meniadakan, dan bagian-bagian yang berarah sama bergabung menjadi garis induksi magnetik yang sama yang melewati di dalam solenoida dan menutupinya dari di luar. Studi medan ini menggunakan serbuk gergaji menunjukkan bahwa medan seragam di dalam solenoida, garis-garis magnet adalah garis lurus sejajar dengan sumbu solenoida, yang menyimpang di ujungnya dan menutup di luar solenoida (Gbr. 4).

Sangat mudah untuk melihat kesamaan antara medan magnet solenoida (di luarnya) dan medan magnet magnet batang permanen (Gbr. 5). Ujung solenoida tempat keluarnya garis magnet mirip dengan kutub utara magnet N, ujung lain dari solenoida, tempat masuknya garis-garis magnet, mirip dengan kutub selatan magnet S.

Kutub solenoida dengan arus mudah ditentukan secara eksperimental menggunakan jarum magnet. Mengetahui arah arus dalam kumparan, kutub-kutub ini dapat ditentukan dengan menggunakan aturan sekrup kanan: kita memutar kepala sekrup kanan sesuai dengan arus dalam kumparan, maka gerakan translasi ujung sekrup akan menunjukkan arah medan magnet solenoida, dan karena itu kutub utaranya. Modulus induksi magnetik di dalam solenoida lapisan tunggal dihitung dengan rumus

B = 0 NI l = 0 nl,

di mana Ν adalah jumlah lilitan pada solenoida, Saya adalah panjang solenoida, n adalah jumlah lilitan per satuan panjang solenoida.

Magnetisasi magnet. vektor magnetisasi.

Jika arus mengalir melalui konduktor, maka medan magnet dibuat di sekitar konduktor. Sejauh ini kami telah mempertimbangkan kabel yang melaluinya arus mengalir dalam ruang hampa. Jika kabel yang membawa arus berada di lingkungan tertentu, maka m.p. perubahan. Ini dijelaskan oleh fakta bahwa di bawah aksi m.p. zat apa pun mampu memperoleh momen magnet, atau menjadi magnet (suatu zat menjadi magnetis). Zat yang termagnetisasi di m.p. berlawanan dengan arah medan disebut diamagnet. Zat yang termagnetisasi lemah di bagian luar m.p. searah dengan medan disebut paramagnet Materi yang termagnetisasi menciptakan m.p. - , ini m.p. ditumpangkan pada mp, karena arus - . Maka bidang yang dihasilkan: . (54.1) Medan sebenarnya (mikroskopis) dalam magnet sangat bervariasi dalam batas-batas jarak antarmolekul. adalah bidang makroskopik rata-rata. Untuk penjelasan magnetisasi Badan Ampere menyarankan bahwa arus mikroskopis melingkar bersirkulasi dalam molekul suatu zat, karena pergerakan elektron dalam atom dan molekul. Setiap arus tersebut memiliki momen magnet dan menciptakan medan magnet di ruang sekitarnya. Jika tidak ada medan eksternal, maka arus molekuler berorientasi secara acak, dan medan yang dihasilkan karena mereka adalah 0. Magnetisasi adalah besaran vektor yang sama dengan momen magnet per satuan volume magnet: , (54.3) di mana volume fisik sangat kecil diambil di sekitar titik yang dipertimbangkan; adalah momen magnetik dari molekul individu. Penjumlahan dilakukan pada semua molekul yang terkandung dalam volume (ingat di mana, - polarisasi dielektrik, - elemen dipol ). Magnetisasi dapat direpresentasikan sebagai berikut: Arus magnetisasi I". Magnetisasi suatu zat dikaitkan dengan orientasi dominan momen magnetik molekul individu dalam satu arah. Arus melingkar dasar yang terkait dengan setiap molekul disebut molekuler. Arus molekuler ternyata berorientasi, mis. arus magnetisasi terjadi. Arus yang mengalir melalui kabel, karena pergerakan pembawa arus dalam zat, disebut arus konduksi -. Untuk elektron yang bergerak dalam orbit melingkar searah jarum jam; arus diarahkan berlawanan arah jarum jam dan, menurut aturan sekrup kanan, diarahkan vertikal ke atas. Sirkulasi vektor magnetisasi sepanjang sirkuit tertutup sewenang-wenang sama dengan jumlah aljabar arus magnetisasi yang dicakup oleh sirkuit G. Bentuk diferensial dari teorema sirkulasi vektor. Kekuatan medan magnet (penunjukan standar H) adalah besaran fisis vektor yang sama dengan selisih vektor induksi magnetik B dan vektor magnetisasi M. Dalam SI: di mana - konstanta magnet. Dalam kasus paling sederhana dari media isotropik (dalam hal sifat magnetik) dan dalam perkiraan frekuensi yang cukup rendah dari variasi medan B dan H hanya sebanding satu sama lain, berbeda hanya dengan faktor numerik (tergantung pada lingkungan) B = μ H dalam sistem GHS atau B = μ 0 μ H dalam sistem SI(cm. Permeabilitas magnetik, Lihat juga Suseptibilitas magnetik). dalam sistem GHS kekuatan medan magnet diukur dalam oersteds(E), dalam sistem SI - dalam ampere per meter(Saya). Dalam teknologi, oersted secara bertahap digantikan oleh satuan SI - ampere per meter. 1 Oe \u003d 1000 / (4π) A / m 79,5775 A / m. 1 A/m = 4π/1000 Oe 0,01256637 Oe. arti fisik Dalam ruang hampa (atau tanpa adanya media yang mampu melakukan polarisasi magnetik, serta dalam kasus di mana yang terakhir dapat diabaikan), kekuatan medan magnet bertepatan dengan vektor induksi magnetik hingga faktor yang sama dengan 1 dalam CGS dan 0 dalam SI. PADA magnet(media magnetik) kekuatan medan magnet memiliki arti fisik dari medan "eksternal", yaitu, bertepatan (mungkin, tergantung pada unit pengukuran, hingga koefisien konstan, seperti dalam sistem SI, yang tidak mengubah arti umum) dengan induksi magnet vektor seperti itu, yang "akan terjadi jika tidak ada magnet." Misalnya, jika medan dibuat oleh kumparan pembawa arus di mana inti besi dimasukkan, maka kuat medan magnet H di dalam inti bertepatan (dalam GHS tepat, dan dalam SI - hingga koefisien dimensi konstan) dengan vektor B 0 , yang akan dibuat oleh kumparan ini tanpa inti dan yang, pada prinsipnya, dapat dihitung berdasarkan geometri kumparan dan arus di dalamnya, tanpa informasi tambahan tentang bahan inti dan magnetnya properti. Pada saat yang sama, harus diingat bahwa karakteristik yang lebih mendasar dari medan magnet adalah vektor induksi magnetik B . Dialah yang menentukan kekuatan medan magnet pada partikel bermuatan dan arus yang bergerak, dan juga dapat diukur secara langsung, sedangkan kekuatan medan magnet H dapat dianggap sebagai nilai tambahan (walaupun lebih mudah untuk menghitungnya, setidaknya dalam kasus statis, yang merupakan nilainya: bagaimanapun juga, H membuat apa yang disebut arus bebas, yang relatif mudah diukur secara langsung, tetapi sulit diukur arus berpasangan- yaitu, arus molekuler, dll. - tidak perlu diperhitungkan). Benar, dalam ekspresi yang umum digunakan untuk energi medan magnet (dalam medium) B dan H masuk hampir sama, tetapi harus diingat bahwa energi ini mencakup energi yang dikeluarkan untuk polarisasi medium, dan tidak hanya energi medan itu sendiri. Energi medan magnet seperti itu diekspresikan hanya melalui fundamental B . Namun, jelas bahwa nilainya H fenomenologis dan di sini sangat nyaman. Jenis magnet Diamagnet memiliki permeabilitas magnetik sedikit kurang dari 1. Mereka berbeda karena didorong keluar dari medan magnet. Paramagnet memiliki permeabilitas magnetik sedikit lebih dari 1. Sebagian besar bahan dia- dan para-magnetik. feromagnet memiliki permeabilitas magnet yang sangat tinggi, mencapai hingga satu juta. Saat medan meningkat, fenomena histeresis muncul, ketika, dengan peningkatan intensitas dan dengan penurunan intensitas berikutnya, nilai B (H) tidak bertepatan satu sama lain. Ada beberapa definisi permeabilitas magnetik dalam literatur. Permeabilitas magnetik awal m n- nilai permeabilitas magnetik pada kekuatan medan rendah. Permeabilitas magnetik maksimum m maks- nilai maksimum permeabilitas magnetik, yang biasanya dicapai dalam medan magnet sedang. Dari istilah-istilah dasar lain yang mencirikan bahan magnetik, kita perhatikan hal-hal berikut. Magnetisasi saturasi- magnetisasi maksimum, yang dicapai dalam medan kuat, ketika semua momen magnetik domain berorientasi sepanjang medan magnet. Lingkaran histeresis- ketergantungan induksi pada kekuatan medan magnet ketika medan berubah dalam suatu siklus: naik ke nilai tertentu - menurun, transisi melalui nol, setelah mencapai nilai yang sama dengan tanda yang berlawanan - pertumbuhan, dll. Lingkaran histeresis maksimum- mencapai magnetisasi saturasi maksimum. Sisa induksi B istirahat- induksi medan magnet pada kebalikan dari loop histeresis pada kekuatan medan magnet nol. Gaya koersif N s- kekuatan medan pada arah kebalikan dari loop histeresis di mana induksi nol tercapai. Momen magnetik atom Momen Magnetik Partikel dasar memiliki sifat mekanika kuantum intrinsik yang dikenal sebagai spin. Ini mirip dengan momentum sudut suatu benda yang berputar di sekitar pusat massanya sendiri, meskipun sebenarnya, partikel-partikel ini adalah partikel titik dan orang tidak dapat berbicara tentang rotasinya. Spin diukur dalam satuan konstanta Planck tereduksi (), maka elektron, proton, dan neutron memiliki spin yang sama dengan . Dalam sebuah atom, elektron berputar mengelilingi nukleus dan memiliki momentum sudut orbital selain berputar, sedangkan nukleus itu sendiri memiliki momentum sudut karena spin nuklir. Medan magnet yang diciptakan oleh momen magnet sebuah atom ditentukan oleh berbagai bentuk momentum sudut ini, seperti dalam fisika klasik, benda bermuatan yang berputar menciptakan medan magnet. Namun, kontribusi paling signifikan datang dari putaran. Karena sifat elektron, seperti semua fermion, untuk mematuhi aturan pengecualian Pauli, yang menyatakan bahwa dua elektron tidak dapat berada dalam keadaan kuantum yang sama, elektron terikat berpasangan satu sama lain, dan salah satu elektron berada dalam spin- keadaan naik, dan yang lainnya - dengan proyeksi putaran berlawanan - keadaan dengan putaran ke bawah. Dengan demikian, momen magnetik elektron meniadakan, mengurangi momen dipol magnetik total sistem menjadi nol pada beberapa atom dengan jumlah elektron genap. Dalam elemen feromagnetik seperti besi, jumlah elektron ganjil menghasilkan elektron tidak berpasangan dan momen magnetik total tidak nol. Orbital atom tetangga tumpang tindih dan keadaan energi terendah tercapai ketika semua spin elektron tidak berpasangan mengasumsikan orientasi yang sama, proses yang dikenal sebagai interaksi pertukaran. Ketika momen magnetik atom feromagnetik sejajar, material dapat menciptakan medan magnet makroskopik yang terukur. Bahan paramagnetik terdiri dari atom-atom yang momen magnetiknya salah arah tanpa adanya medan magnet, tetapi momen magnetik atom individu sejajar ketika medan magnet diterapkan. Inti atom juga dapat memiliki putaran total bukan nol. Biasanya, pada kesetimbangan termodinamika, putaran inti diorientasikan secara acak. Namun, untuk beberapa elemen (seperti xenon-129) dimungkinkan untuk mempolarisasi fraksi yang signifikan dari putaran inti untuk menciptakan keadaan putaran searah—keadaan yang disebut hiperpolarisasi. Keadaan ini sangat penting secara praktis dalam pencitraan resonansi magnetik. Medan magnet memiliki energi. Sama seperti kapasitor bermuatan memiliki pasokan energi listrik, kumparan dengan arus yang mengalir melalui kumparannya memiliki pasokan energi magnet. Jika Anda menyalakan lampu listrik secara paralel dengan koil dengan induktansi besar di sirkuit DC listrik, maka ketika kunci dibuka, kilatan singkat lampu diamati. Arus di sirkuit muncul di bawah aksi EMF induksi sendiri. Sumber energi yang dilepaskan dalam hal ini pada rangkaian listrik adalah medan magnet kumparan. Energi W m dari medan magnet sebuah kumparan dengan induktansi L, yang diciptakan oleh arus I, sama dengan W m = LI 2 / 2

Instrumen dan aksesori: setup laboratorium dengan solenoida, power supply, milivoltmeter, ammeter.

Teori singkat

solenoida disebut kumparan silinder yang berisi sejumlah besar lilitan kawat yang dilalui arus. Jika pitch heliks konduktor yang membentuk kumparan kecil, maka setiap belokan pembawa arus dapat dianggap sebagai arus melingkar yang terpisah, dan solenoida sebagai sistem arus melingkar seri-terhubung dengan jari-jari yang sama, memiliki sumbu.

Medan magnet di dalam solenoida dapat dianggap sebagai jumlah medan magnet yang diciptakan oleh setiap putaran. Vektor induksi medan magnet di dalam solenoida tegak lurus terhadap bidang belitan, mis. diarahkan sepanjang sumbu solenoida dan membentuk sistem tangan kanan dengan arah arus cincin belokan. Gambar perkiraan garis gaya medan magnet solenoida ditunjukkan pada gambar. 1. Garis medan magnet tertutup.

Gambar 2 menunjukkan bagian solenoida dengan panjang L dan dengan jumlah lilitan N dan jari-jari penampang R. Lingkaran dengan titik-titik menunjukkan bagian lilitan kumparan yang dialiri arus I dari gambar kepada kita , dan lingkaran dengan salib menunjukkan bagian belokan di mana arus diarahkan di luar gambar. Jumlah lilitan per satuan panjang solenoida dilambangkan dengan .

Induksi medan magnet di titik A, yang terletak pada sumbu solenoida, ditentukan dengan mengintegrasikan medan magnet yang dibuat oleh setiap putaran, dan sama dengan

, (1)

di mana dan adalah sudut yang dibentuk dengan sumbu solenoida oleh vektor jari-jari dan ditarik dari titik A ke belokan ekstrim solenoida, adalah permeabilitas magnetik media, konstanta magnet.

Dengan demikian, induksi magnet B berbanding lurus dengan kuat arus, permeabilitas magnetik media yang mengisi solenoida, dan jumlah lilitan per satuan panjang. Induksi magnet juga tergantung pada posisi titik A relatif terhadap ujung solenoida. Mari kita pertimbangkan beberapa kasus khusus:

1. Biarkan titik A berada di pusat solenoida, maka , dan . Jika solenoida cukup panjang, maka dan 2)

2. Biarkan titik A berada di tengah belokan ekstrim, maka , dan . Jika solenoida cukup panjang, maka , dan (3)

Dapat dilihat dari rumus (2) dan (3) bahwa induksi magnetik solenoida di tepinya adalah setengah dari nilainya di tengah.

3. Jika panjang solenoida beberapa kali lebih besar dari jari-jari putarannya
("solenoida panjang tak terhingga"), maka untuk semua titik yang terletak di dalam
solenoid pada porosnya, Anda dapat menempatkan . Kemudian
medan dapat dianggap seragam di bagian tengah solenoida dan dapat dihitung menggunakan rumus

Keseragaman medan magnet rusak di dekat tepi solenoida. Dalam hal ini, induksi dapat ditentukan dengan rumus

di mana k adalah koefisien yang memperhitungkan ketidakhomogenan medan.

Studi eksperimental medan magnet solenoida dalam pekerjaan ini dilakukan dengan menggunakan probe khusus - kumparan kecil yang dipasang di dalam batang dengan penggaris skala. Sumbu kumparan bertepatan dengan sumbu solenoida, kumparan terhubung ke milivoltmeter arus bolak-balik, resistansi input yang jauh lebih besar daripada resistansi kumparan probe. Jika arus bolak-balik mengalir melalui solenoida frekuensi standar ( = 50 Hz), kemudian di dalam solenoida dan di tepinya, induksi medan magnet bolak-balik berubah sesuai dengan hukum (lihat (5)):

Amplitudo induksi magnet dalam rumus ini tergantung pada posisi titik di dalam solenoida. Jika kumparan probe ditempatkan dalam solenoida, maka, sesuai dengan hukum induksi elektromagnetik, EMF induksi muncul di dalamnya:

, (6)

di mana N 1 adalah jumlah lilitan dalam kumparan, S adalah luas penampang kumparan, adalah fluks magnet (karena sumbu kumparan bertepatan dengan sumbu solenoida dan, oleh karena itu, vektor induksi magnet tegak lurus ke bidang penampang kumparan.).

Karena besarnya induksi B berubah sesuai dengan hukum , , maka dari (6) diperoleh rumus untuk menghitung EMF:

Dapat dilihat dari ekspresi (7) bahwa amplitudo EMF bergantung pada . Jadi, dengan mengukur amplitudo EMF, kita dapat menentukan:

Koefisien k, yang memperhitungkan ketidakhomogenan medan magnet solenoida di tepinya, dapat ditentukan dengan rumus. (5), mengetahui dan :

(9)

di mana adalah amplitudo arus bolak-balik yang mengalir melalui solenoida.

Dari rumus (7) dan (9) dapat disimpulkan bahwa amplitudo ggl induksi berbanding lurus dengan amplitudo arus bolak-balik:

Ammeter dan milivoltmeter yang termasuk dalam rangkaian arus bolak-balik mengukur nilai efektif arus dan EMF, yang terkait dengan amplitudo dan hubungan:

Untuk nilai efektif arus dan EMF, rumus (10) memiliki bentuk

(11)

Dari rumus (11) berikut bahwa rasio sebanding dengan koefisien K ketidakhomogenan induksi medan magnet pada titik solenoida tempat pengukuran dilakukan

(12)

dimana A adalah koefisien proporsionalitas.

Dalam pekerjaan ini, diperlukan untuk melakukan dua tugas: 1) menentukan distribusi induksi sepanjang sumbu solenoida pada nilai arus konstan tertentu; 2) tentukan nilai koefisien k.

Tindakan pengamanan:

1. Jangan sambungkan / secara mandiri catu daya dan milivoltmeter ke jaringan 220 V.

2. Jangan beralih sirkuit berenergi.

Jangan menyentuh bagian sirkuit yang telanjang.

3. Jangan biarkan sirkuit menyala tanpa pengawasan.

Perintah kerja

Tugas nomor 1. Penyelidikan distribusi induksi medan magnet sepanjang sumbu solenoida.

1. Rakit sirkuit pengukur sesuai dengan skema yang ditunjukkan pada gambar. 3. Untuk melakukan ini, sambungkan sumber daya dan ammeter ke sirkuit solenoida, dan milivoltmeter ke kabel probe coil (untuk mengukur ) Dalam instalasi ini, probe coil memiliki parameter berikut: = 200 putaran, S = 2 * 10 -4 m 2, frekuensi AC = 50 Hz, Jumlah lilitan per satuan panjang solenoida n = 2400 1/m

1- dudukan laboratorium Z - batang "

2- kumparan-probe

3- solenoida
5 amperemeter

6 - catu daya dengan regulator tegangan keluaran (arus), 7 - milivoltmeter.

2. Posisikan rod dengan scale bar sehingga probe coil kira-kira berada di tengah solenoid.

3. Nyalakan catu daya solenoida dan atur arus solenoida (sesuai dengan ammeter) ke = 25mA. Nyalakan milivoltmeter dan setelah pemanasan (5 menit) lakukan pembacaan.

4. Gerakkan batang dengan skala linier, ukur menggunakan
nilai efektif milivoltmeter dari EMF induksi melalui masing-masing
sentimeter posisi penggaris. Dengan rumus (8) hitung .
Catat hasil pengukuran dan perhitungan pada Tabel 1 (perhatikan bahwa).

Medan magnet solenoida adalah superposisi medan individu, yang dibuat oleh setiap putaran secara terpisah. Arus yang sama mengalir melalui semua belokan. Sumbu semua belokan terletak pada garis yang sama. Solenoida adalah sebuah induktor yang berbentuk silinder. Kumparan ini dililit dengan kawat konduktif. Dalam hal ini, belokan ditumpuk erat satu sama lain dan memiliki satu arah. Diasumsikan bahwa panjang koil secara signifikan melebihi diameter belitan.

Mari kita lihat induksi magnet yang diciptakan oleh setiap belokan. Dapat dilihat bahwa induksi di dalam setiap kumparan diarahkan ke arah yang sama. Jika Anda melihat bagian tengah kumparan, maka induksi dari tepinya akan bertambah. Dalam hal ini, induksi medan magnet antara dua belokan yang berdekatan diarahkan secara berlawanan. Karena dibuat oleh arus yang sama, itu dikompensasi.

Gambar 1 - Medan yang diciptakan oleh putaran individu solenoida

Jika lilitan solenoida cukup rapat, maka di antara semua lilitan bidang penghitung akan dikompensasi, dan di dalam belokan masing-masing bidang akan ditambahkan menjadi satu bidang umum. Garis-garis medan ini akan lewat di dalam solenoida, dan menutupinya di luar.

Jika Anda memeriksa medan magnet di dalam solenoida dengan cara apa pun, misalnya menggunakan serbuk besi, maka Anda dapat menyimpulkan bahwa itu homogen. Garis-garis medan magnet di daerah ini adalah garis lurus sejajar. Tidak hanya sejajar dengan dirinya sendiri, tetapi juga sejajar dengan sumbu solenoida. Melampaui solenoid, mereka ditekuk dan ditutup di luar koil.

Gambar 2 - Bidang yang dibuat oleh solenoida

Dapat dilihat dari gambar bahwa medan yang ditimbulkan oleh solenoida mirip dengan medan yang menciptakan magnet batang permanen. Di salah satu ujung, garis gaya keluar dari solenoida dan ujung ini dianalogikan dengan kutub utara magnet permanen. Dan mereka masuk ke yang lain, dan ujung ini berhubungan dengan kutub selatan. Perbedaannya adalah bahwa medan juga ada di dalam solenoida. Dan jika Anda melakukan percobaan dengan serbuk besi, mereka akan ditarik ke dalam ruang di antara belokan.

Tetapi jika inti kayu atau inti yang terbuat dari bahan non-magnetik lainnya dimasukkan ke dalam solenoida, maka selama percobaan dengan serutan besi, gambar medan magnet permanen dan solenoida akan sama. Karena inti kayu tidak akan mendistorsi garis gaya, tetapi pada saat yang sama tidak akan membiarkan serbuk gergaji menembus ke dalam koil.

Gambar 3 - Gambar medan magnet batang permanen

Beberapa metode dapat digunakan untuk menentukan kutub solenoida. Misalnya, yang paling sederhana adalah dengan menggunakan jarum magnet. Itu akan ditarik ke kutub magnet yang berlawanan. Jika arah arus dalam kumparan diketahui, kutub-kutubnya dapat ditentukan dengan menggunakan aturan ulir kanan. Jika Anda memutar kepala sekrup kanan ke arah arus, maka gerakan translasi akan menunjukkan arah medan di solenoida. Dan mengetahui bahwa medan diarahkan dari kutub utara ke selatan, dan Anda dapat menentukan di mana kutub berada.