Riso. 6.23. Linee del campo magnetico del campo: 1 - solenoide; 2 - striscia magnetica
Il campo magnetico del solenoide ricorda il campo di una barra magnetica (Fig. 6.23-2).
Se le spire sono avvolte strettamente, il solenoide è un sistema di correnti circolari con un asse.
Se consideriamo il solenoide sufficientemente lungo, il campo magnetico all'interno del solenoide è uniforme e diretto parallelamente all'asse. All'esterno del solenoide, lontano dai bordi, anche il campo magnetico deve avere una direzione parallela all'asse e, a grande distanza dal solenoide, deve essere molto debole. Il campo diminuisce secondo la legge
Calcoliamo il campo all'interno del solenoide. Prendi un elemento solenoide con una lunghezza dh ad una distanza h dal punto di osservazione. Se la bobina ha n giri per unità di lunghezza, quindi l'elemento selezionato contiene nd giri. Secondo la formula (6.11), questo elemento crea un campo magnetico
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Integrando su tutta la lunghezza del solenoide si ottiene
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Pertanto, il campo in un solenoide infinitamente lungo è dato da
In pratica i solenoidi non sono infinitamente lunghi. Diamo un'occhiata ad alcuni esempi per illustrare.
Esempio 1 Trova il campo magnetico nel mezzo di un solenoide di lunghezza finita l(Fig. 6.24). Confronta con il campo di un solenoide infinitamente lungo. In quali condizioni la differenza è inferiore allo 0,5%?
Riso. 6.24. Campo magnetico di una bobina di lunghezza finita
Al centro del solenoide il campo magnetico è pressoché uniforme e supera sensibilmente in valore assoluto il campo esterno alla bobina
Decisione. Campo magnetico nel punto medio dell'asse del solenoide di lunghezza finita lè data dallo stesso integrale (6.19), ma con diversi limiti di integrazione
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Se la lunghezza del solenoide è molto maggiore del suo diametro ( l >> 2R), torniamo alla formula per il campo in un solenoide infinitamente lungo (6.20). La differenza relativa tra questi due valori è
A seconda della condizione, questa differenza è piccola: , cioè il rapporto tra il diametro del solenoide e la sua lunghezza è piccolo: 2 R/l << 1. Поэтому можно воспользоваться формулой разложения квадратного корня
Sostituzione di un valore numerico d, troviamo che la differenza sarà inferiore al mezzo punto percentuale quando la relazione è soddisfatta
In altre parole, un solenoide può essere considerato infinitamente lungo se la sua lunghezza è venti o più volte il raggio.
Esempio 2 Trova il campo magnetico In e nel punto estremo dell'asse del solenoide di lunghezza finita l. Confronta con il risultato dell'esempio precedente.
Decisione. Campo magnetico nel punto finale dell'asse del solenoide di lunghezza finita lè dato dallo stesso integrale (6.19), ma ora i limiti di integrazione sembreranno diversi
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Il rapporto dei campi nei punti medi ed estremi dell'asse del solenoide è uguale a
Questo rapporto è sempre inferiore all'unità (ovvero, il campo alla fine è inferiore al campo al centro del solenoide). In l >> R noi abbiamo
Questo risultato è facile da capire. Immagina un solenoide infinito, che è mentalmente tagliato a metà nel punto di osservazione. Possiamo supporre che il campo a questo punto sia creato da due identici solenoidi "semi-infiniti" posti ai lati opposti di esso. È chiaro che quando uno di essi viene rimosso, il punto di osservazione diventa la faccia terminale del restante solenoide "semi-infinito" e l'induzione magnetica in esso diminuisce esattamente di un fattore due.
Questo è il cosiddetto effetto bordo. L'esempio dimostra che non è sufficiente per soddisfare la relazione l >> R utilizzare le formule per un solenoide infinitamente lungo; è anche necessario che il punto di osservazione sia lontano dai suoi estremi.
Sulla fig. 6.25 presenta l'esperienza di studio della distribuzione delle linee di campo magnetico attorno al solenoide. Il campo del solenoide, il cui asse giace nel piano della piastra, è concentrato principalmente all'interno del solenoide. Le linee di forza interne hanno la forma di rette parallele lungo l'asse della bobina e il campo esterno è praticamente assente.
Riso. 6.25. Visualizzazione delle linee del campo magnetico
Campo magnetico della corrente elettrica
Un campo magnetico è creato non solo da quelli naturali o artificiali, ma anche da un conduttore se viene attraversato da una corrente elettrica. Pertanto, esiste una connessione tra fenomeni magnetici ed elettrici.
Non è difficile assicurarsi che si formi un campo magnetico attorno al conduttore attraverso il quale passa la corrente. Sopra l'ago magnetico mobile, posizionare un conduttore rettilineo parallelo ad esso e far passare una corrente elettrica attraverso di esso. La freccia prenderà una posizione perpendicolare al conduttore.
Quali forze potrebbero far girare l'ago magnetico? Ovviamente, l'intensità del campo magnetico che si è formato attorno al conduttore. Spegnere la corrente e l'ago magnetico tornerà alla sua posizione normale. Ciò suggerisce che con la corrente disattivata, anche il campo magnetico del conduttore è scomparso.
Pertanto, la corrente elettrica che passa attraverso il conduttore crea un campo magnetico. Per scoprire in quale direzione devierà l'ago magnetico, applica la regola della mano destra. Se la mano destra è posizionata sopra il conduttore con il palmo rivolto verso il basso in modo che la direzione della corrente coincida con la direzione delle dita, il pollice piegato mostrerà la direzione di deviazione del polo nord dell'ago magnetico posto sotto il conduttore . Usando questa regola e conoscendo la polarità della freccia, puoi anche determinare la direzione della corrente nel conduttore.
Campo magnetico di un conduttore rettilineo ha la forma di cerchi concentrici. Se metti la mano destra sul conduttore con il palmo rivolto verso il basso in modo che la corrente sembri uscire dalle dita, il pollice piegato punterà al polo nord dell'ago magnetico.Tale campo è chiamato campo magnetico circolare.
La direzione delle linee di forza di un campo circolare dipende nel conduttore ed è determinata dal cosiddetto Regola del "succhiello".. Se il succhiello è avvitato mentalmente nella direzione della corrente, la direzione di rotazione della sua impugnatura coinciderà con la direzione delle linee di forza del campo magnetico. Applicando questa regola, puoi scoprire la direzione della corrente nel conduttore, se conosci la direzione delle linee di campo del campo create da questa corrente.
Tornando all'esperimento con l'ago magnetico, possiamo assicurarci che si trovi sempre con la sua estremità settentrionale nella direzione delle linee del campo magnetico.
Così, Un conduttore rettilineo che trasporta una corrente elettrica crea un campo magnetico attorno ad esso. Ha la forma di cerchi concentrici ed è chiamato campo magnetico circolare.
Sottaceti e. Campo magnetico del solenoide
Un campo magnetico si forma attorno a qualsiasi conduttore, indipendentemente dalla sua forma, a condizione che una corrente elettrica attraversi il conduttore.
In ingegneria elettrica, abbiamo a che fare con, costituito da un numero di giri. Per studiare il campo magnetico della bobina di nostro interesse, consideriamo innanzitutto quale forma ha il campo magnetico di un giro.
Immagina una bobina di filo spesso che penetra in un foglio di cartone e collegata a una fonte di corrente. Quando una corrente elettrica passa attraverso una bobina, si forma un campo magnetico circolare attorno a ogni singola parte della bobina. Secondo la regola del "succhiello", è facile determinare che le linee di forza magnetiche all'interno della bobina hanno la stessa direzione (verso di noi o lontano da noi, a seconda della direzione della corrente nella bobina), ed escono da una lato della bobina ed entrare nell'altro lato. Una serie di tali bobine, a forma di spirale, è la cosiddetta bobina).
Intorno al solenoide, quando una corrente lo attraversa, si forma un campo magnetico. Si ottiene sommando i campi magnetici di ciascuna bobina e ha la forma del campo magnetico di un magnete rettilineo. Le linee di forza del campo magnetico del solenoide, così come in un magnete rettilineo, escono da un'estremità del solenoide e ritornano all'altra. All'interno del solenoide, hanno la stessa direzione. Pertanto, le estremità del solenoide hanno polarità. La fine da cui escono le linee di forza è Polo Nord solenoide e l'estremità in cui entrano le linee di forza è il suo polo sud.
Poli solenoidi può essere determinato da regola della mano destra, ma per questo è necessario conoscere la direzione della corrente nei suoi giri. Se metti la mano destra sul solenoide con il palmo rivolto verso il basso, in modo che la corrente sembri uscire dalle dita, il pollice piegato punterà al polo nord del solenoide. Da questa regola ne consegue che la polarità del solenoide dipende dalla direzione della corrente in esso contenuta. È facile verificarlo in pratica avvicinando un ago magnetico ad uno dei poli del solenoide e poi cambiando la direzione della corrente nel solenoide. La freccia girerà istantaneamente di 180°, ovvero indicherà che i poli del solenoide sono cambiati.
Il solenoide ha la proprietà di attirare su di sé oggetti di ferro leggero. Se una barra d'acciaio viene posizionata all'interno del solenoide, dopo un po', sotto l'influenza del campo magnetico del solenoide, la barra si magnetizza. Questo metodo è utilizzato nella produzione.
Elettromagneti
È una bobina (solenoide) con un'anima di ferro posta al suo interno. Le forme e le dimensioni degli elettromagneti sono varie, ma la disposizione generale di tutti è la stessa.
La bobina di un elettromagnete è un telaio, il più delle volte realizzato in cartone pressato o fibra, e ha varie forme a seconda dello scopo dell'elettromagnete. Un filo isolato in rame è avvolto sul telaio in più strati: l'avvolgimento di un elettromagnete. Ha un numero di giri diverso ed è costituito da fili di diverso diametro, a seconda dello scopo dell'elettromagnete.
Per proteggere l'isolamento dell'avvolgimento da danni meccanici, l'avvolgimento è coperto con uno o più strati di carta o altro materiale isolante. L'inizio e la fine dell'avvolgimento vengono fatti uscire e collegati ai terminali di uscita montati sul telaio o ai conduttori flessibili con capicorda alle estremità.
La bobina dell'elettromagnete è montata su un nucleo di ferro dolce ricotto o leghe di ferro con silicio, nichel, ecc. Tale ferro ha il minor residuo. I nuclei sono spesso composti da fogli sottili isolati l'uno dall'altro. La forma dei nuclei può essere diversa, a seconda dello scopo dell'elettromagnete.
Se una corrente elettrica viene fatta passare attraverso l'avvolgimento di un elettromagnete, si forma un campo magnetico attorno all'avvolgimento, che magnetizza il nucleo. Poiché il nucleo è fatto di ferro dolce, verrà magnetizzato all'istante. Se la corrente viene quindi interrotta, anche le proprietà magnetiche del nucleo scompariranno rapidamente e cesserà di essere un magnete. I poli di un elettromagnete, come un solenoide, sono determinati dalla regola della mano destra. Se l'avvolgimento dell'elettromagnete viene modificato, la polarità dell'elettromagnete cambierà di conseguenza.
L'azione di un elettromagnete è simile a quella di un magnete permanente. Tuttavia, c'è una grande differenza tra loro. Un magnete permanente ha sempre proprietà magnetiche e un elettromagnete solo quando una corrente elettrica passa attraverso il suo avvolgimento.
Inoltre, la forza di attrazione di un magnete permanente è invariata, poiché il flusso magnetico di un magnete permanente è invariato. La forza di attrazione di un elettromagnete non è un valore costante. Lo stesso elettromagnete può avere diverse forze attrattive. La forza di attrazione di qualsiasi magnete dipende dall'entità del suo flusso magnetico.
La forza di attrazione, e quindi il suo flusso magnetico, dipende dall'entità della corrente che passa attraverso l'avvolgimento di questo elettromagnete. Maggiore è la corrente, maggiore è la forza di attrazione dell'elettromagnete e, al contrario, minore è la corrente nell'avvolgimento dell'elettromagnete, minore è la forza che attira a sé i corpi magnetici.
Ma per elettromagneti di vari design e dimensioni, la forza della loro attrazione dipende non solo dall'entità della corrente nell'avvolgimento. Se, ad esempio, prendiamo due elettromagneti dello stesso dispositivo e dimensioni, ma uno con un numero ridotto di giri di avvolgimento e l'altro con un numero molto maggiore, allora è facile vedere che con la stessa corrente la forza attrattiva di quest'ultimo sarà molto più grande. Infatti, maggiore è il numero di spire dell'avvolgimento, maggiore ad una data corrente si crea un campo magnetico attorno a questo avvolgimento, poiché è composto dai campi magnetici di ogni spira. Ciò significa che il flusso magnetico dell'elettromagnete, e quindi la forza della sua attrazione, sarà tanto maggiore quanto maggiore sarà il numero di spire dell'avvolgimento.
C'è un'altra ragione che influenza l'entità del flusso magnetico di un elettromagnete. Questa è la qualità del suo circuito magnetico. Un circuito magnetico è un percorso lungo il quale si chiude un flusso magnetico. Il circuito magnetico ne ha una certa resistenza magnetica. La resistenza magnetica dipende dalla permeabilità magnetica del mezzo attraverso il quale passa il flusso magnetico. Maggiore è la permeabilità magnetica di questo mezzo, minore è la sua resistenza magnetica.
Dal m la permeabilità magnetica dei corpi ferromagnetici (ferro, acciaio) è molte volte maggiore della permeabilità magnetica dell'aria, quindi è più vantaggioso realizzare elettromagneti in modo che il loro circuito magnetico non contenga sezioni d'aria. Viene chiamato il prodotto della corrente per il numero di giri nell'avvolgimento di un elettromagnete forza magnetomotrice. La forza magnetomotrice è misurata dal numero di giri di ampere.
Ad esempio, l'avvolgimento di un elettromagnete con 1200 spire trasporta una corrente di 50 mA. Forza motrice magnetica un tale elettromagnete equivale a 0,05 x 1200 = 60 ampere giri.
L'azione della forza magnetomotrice è simile all'azione della forza elettromotrice in un circuito elettrico. Proprio come l'EMF provoca una corrente elettrica, la forza magnetomotrice crea un flusso magnetico in un elettromagnete. Proprio come in un circuito elettrico, con un aumento di EMF, la corrente nel prezzo aumenta, così in un circuito magnetico, con un aumento della forza magnetomotrice, il flusso magnetico aumenta.
Azione resistenza magnetica simile all'azione della resistenza elettrica del circuito. Come la corrente diminuisce all'aumentare della resistenza di un circuito elettrico, così in un circuito magnetico un aumento della resistenza magnetica provoca una diminuzione del flusso magnetico.
La dipendenza del flusso magnetico di un elettromagnete dalla forza magnetomotrice e dalla sua resistenza magnetica può essere espressa da una formula simile alla formula della legge di Ohm: forza magnetomotrice \u003d (flusso magnetico / resistenza magnetica)
Il flusso magnetico è uguale alla forza magnetomotrice divisa per la resistenza magnetica.
Il numero di giri dell'avvolgimento e la resistenza magnetica per ciascun elettromagnete è un valore costante. Pertanto, il flusso magnetico di un determinato elettromagnete cambia solo con una variazione della corrente che passa attraverso l'avvolgimento. Poiché la forza di attrazione di un elettromagnete è determinata dal suo flusso magnetico, per aumentare (o diminuire) la forza di attrazione di un elettromagnete, è necessario aumentare (o diminuire) di conseguenza la corrente nel suo avvolgimento.
elettromagnete polarizzato
Un elettromagnete polarizzato è una combinazione di un magnete permanente e un elettromagnete. È organizzato in questo modo. Le cosiddette estensioni dei poli in ferro dolce sono fissate ai poli del magnete permanente. Ogni prolunga polare funge da nucleo di un elettromagnete; su di essa è montata una bobina con un avvolgimento. Entrambi gli avvolgimenti sono collegati in serie.
Poiché le estensioni polari sono direttamente attaccate ai poli di un magnete permanente, hanno proprietà magnetiche anche in assenza di corrente negli avvolgimenti; allo stesso tempo, la loro forza di attrazione è invariata ed è determinata dal flusso magnetico di un magnete permanente.
L'azione di un elettromagnete polarizzato sta nel fatto che quando la corrente passa attraverso i suoi avvolgimenti, la forza di attrazione dei suoi poli aumenta o diminuisce a seconda dell'entità e della direzione della corrente negli avvolgimenti. Su questa proprietà di un elettromagnete polarizzato, l'azione di altri dispositivi elettrici.
L'azione di un campo magnetico su un conduttore percorso da corrente
Se un conduttore viene posizionato in un campo magnetico in modo che si trovi perpendicolare alle linee di campo e una corrente elettrica viene fatta passare attraverso questo conduttore, il conduttore inizierà a muoversi e verrà espulso dal campo magnetico.
Come risultato dell'interazione del campo magnetico con la corrente elettrica, il conduttore si mette in moto, cioè l'energia elettrica viene convertita in energia meccanica.
La forza con cui il conduttore viene spinto fuori dal campo magnetico dipende dall'entità del flusso magnetico del magnete, dall'intensità della corrente nel conduttore e dalla lunghezza di quella parte del conduttore attraversata dalle linee di campo. La direzione di questa forza, cioè la direzione del movimento del conduttore, dipende dalla direzione della corrente nel conduttore ed è determinata da regola della mano sinistra.
Se tieni il palmo della mano sinistra in modo che includa le linee del campo magnetico del campo e le quattro dita tese siano rivolte nella direzione della corrente nel conduttore, il pollice piegato indicherà la direzione del movimento del conduttore. Quando applichiamo questa regola, dobbiamo ricordare che le linee di campo escono dal polo nord del magnete.
solenoide chiamato bobina di forma cilindrica fatta di filo, le cui spire sono avvolte strettamente in una direzione, e la lunghezza della bobina è molto maggiore del raggio della spira.
Il campo magnetico di un solenoide può essere rappresentato come il risultato della somma di campi creati da più correnti circolari che hanno un asse comune. La figura 3 mostra che all'interno del solenoide le linee di induzione magnetica di ogni singola spira hanno la stessa direzione, mentre tra spire adiacenti hanno la direzione opposta.
Pertanto, con un avvolgimento sufficientemente denso del solenoide, le sezioni opposte delle linee di induzione magnetica delle spire adiacenti si annullano e le sezioni ugualmente dirette si fondono in una linea comune di induzione magnetica che passa all'interno del solenoide e lo copre dal fuori. Lo studio di questo campo mediante segatura ha mostrato che il campo è uniforme all'interno del solenoide, le linee magnetiche sono rette parallele all'asse del solenoide, che divergono alle sue estremità e si chiudono all'esterno del solenoide (Fig. 4).
È facile vedere la somiglianza tra il campo magnetico di un solenoide (al di fuori di esso) e il campo magnetico di una barra magnetica permanente (Fig. 5). L'estremità del solenoide da cui escono le linee magnetiche è simile al polo nord del magnete N, l'altra estremità del solenoide, in cui entrano le linee magnetiche, è simile al polo sud del magnete S.
I poli di un solenoide con corrente sono facili da determinare sperimentalmente utilizzando un ago magnetico. Conoscendo la direzione della corrente nella bobina, questi poli possono essere determinati usando la regola della vite destra: ruotiamo la testa della vite destra in base alla corrente nella bobina, quindi il movimento traslatorio della punta della vite sarà indicare la direzione del campo magnetico del solenoide, e quindi il suo polo nord. Il modulo di induzione magnetica all'interno di un solenoide a strato singolo è calcolato dalla formula
B = μμ 0 NI l = μμ 0 nl,
dove Ν è il numero di giri del solenoide, ioè la lunghezza del solenoide, nè il numero di giri per unità di lunghezza del solenoide.
| Magnetizzazione di un magnete. Vettore di magnetizzazione. |
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Se una corrente scorre attraverso il conduttore, si crea un campo magnetico attorno al conduttore. Finora abbiamo considerato i fili attraverso i quali scorrevano le correnti nel vuoto. Se i fili che trasportano la corrente si trovano in un determinato ambiente, il m.p. i cambiamenti. Ciò si spiega con il fatto che, sotto l'azione di m.p. qualsiasi sostanza è in grado di acquisire un momento magnetico, o di essere magnetizzata (una sostanza diventa magnetico). Le sostanze magnetizzate nel p.f. esterno. contro la direzione del campo sono chiamati diamagneti. Sostanze debolmente magnetizzate nel p.f. esterno. in direzione del campo sono chiamati paramagneti La materia magnetizzata crea p.f. - , questo è p.f. sovrapposto al mp, per correnti - . Quindi il campo risultante:
Il campo reale (microscopico) in un magnete varia notevolmente entro i limiti delle distanze intermolecolari. è il campo macroscopico medio. Per spiegazione magnetizzazione corpi Ampere ha suggerito che le correnti microscopiche circolari circolano nelle molecole di una sostanza, a causa del movimento degli elettroni negli atomi e nelle molecole. Ciascuna di queste correnti ha un momento magnetico e crea un campo magnetico nello spazio circostante. Se non esiste un campo esterno, le correnti molecolari sono orientate in modo casuale e il campo risultante da esse è 0. La magnetizzazione è una quantità vettoriale uguale al momento magnetico per unità di volume di un magnete:
dove è un volume fisico infinitesimale preso in prossimità del punto in esame; è il momento magnetico di una singola molecola. La sommatoria viene eseguita su tutte le molecole contenute nel volume (ricordiamo dove, - polarizzazione dielettrico, - elemento dipolo ). La magnetizzazione può essere rappresentata come segue: Correnti magnetizzanti I". La magnetizzazione di una sostanza è associata all'orientamento predominante dei momenti magnetici delle singole molecole in una direzione. Si chiamano le correnti circolari elementari associate a ciascuna molecola molecolare. Le correnti molecolari risultano orientate, cioè si verificano correnti di magnetizzazione. Le correnti che fluiscono attraverso i fili, dovute al movimento dei portatori di corrente nella sostanza, sono chiamate correnti di conduzione -. Per un elettrone che si muove in un'orbita circolare in senso orario; la corrente è diretta in senso antiorario e, secondo la regola della vite destra, è diretta verticalmente verso l'alto. Circolazione del vettore di magnetizzazione lungo un circuito chiuso arbitrario è uguale alla somma algebrica delle correnti di magnetizzazione percorse dal circuito G. Forma differenziale del teorema di circolazione vettoriale. Intensità del campo magnetico (designazione standard H) è una quantità fisica vettoriale uguale alla differenza del vettore di induzione magnetica B e il vettore di magnetizzazione M. In SI: Nel caso più semplice di un mezzo isotropo (in termini di proprietà magnetiche) e nell'approssimazione di frequenze sufficientemente basse del cambiamento di campo B e H sono semplicemente proporzionali tra loro, differiscono semplicemente per un fattore numerico (a seconda dell'ambiente) B = μ H nel sistema GHS o B = μ 0 μ H nel sistema SI(cm. Permeabilità magnetica, Guarda anche Suscettibilità magnetica). Nel sistema GHS si misura l'intensità del campo magnetico oersted(E), nel sistema SI - in ampere per metro(Sono). Nella tecnologia, l'oersted viene gradualmente sostituito dall'unità SI - ampere per metro. 1 Oe \u003d 1000 / (4π) A / m ≈ 79,5775 A / m. 1 A/m = 4π/1000 Oe ≈ 0,01256637 Oe. significato fisicoNel vuoto (o in assenza di un mezzo capace di polarizzazione magnetica, così come nei casi in cui quest'ultima sia trascurabile), l'intensità del campo magnetico coincide con il vettore di induzione magnetica fino ad un fattore pari a 1 in CGS e μ 0 in SI. A magneti(mezzi magnetici) l'intensità del campo magnetico ha il significato fisico di un campo “esterno”, cioè coincide (forse, a seconda delle unità di misura, fino ad un coefficiente costante, come nel sistema SI, che non cambiare il significato generale) con una tale induzione magnetica vettoriale, che "sarebbe se non ci fosse il magnete". Ad esempio, se il campo è creato da una bobina che trasporta corrente in cui è inserito un nucleo di ferro, l'intensità del campo magnetico H all'interno del nucleo coincide (in GHS esattamente, e in SI - fino a un coefficiente dimensionale costante) con il vettore B 0 , che verrebbe creato da questa bobina in assenza di un nucleo e che, in linea di principio, può essere calcolato in base alla geometria della bobina e alla corrente in essa contenuta, senza alcuna informazione aggiuntiva sul materiale del nucleo e sul suo magnetismo proprietà. Allo stesso tempo, va tenuto presente che una caratteristica più fondamentale del campo magnetico è il vettore di induzione magnetica B . È lui che determina l'intensità del campo magnetico sulle particelle e le correnti cariche in movimento e può anche essere misurata direttamente, mentre l'intensità del campo magnetico H può essere considerata piuttosto come una grandezza ausiliaria (sebbene sia più facile calcolarla, almeno nel caso statico, che è il suo valore: in fondo, H creare il cosiddetto correnti libere, che sono relativamente facili da misurare direttamente, ma difficili da misurare correnti accoppiate- cioè le correnti molecolari, ecc. - non devono essere prese in considerazione). Vero, nell'espressione comunemente usata per l'energia di un campo magnetico (in un mezzo) B e H entrano quasi in egual misura, ma va tenuto presente che tale energia include l'energia spesa per la polarizzazione del mezzo, e non solo l'energia del campo stesso. L'energia del campo magnetico in quanto tale si esprime solo attraverso la fondamentale B . Tuttavia, è chiaro che il valore H fenomenologicamente e qui è molto conveniente. Tipi di magneti I diamagneti hanno una permeabilità magnetica leggermente inferiore a 1. Si differenziano per il fatto che vengono espulsi dal campo magnetico. Paramagneti hanno una permeabilità magnetica leggermente superiore a 1. La stragrande maggioranza dei materiali sono dia e paramagnetici. ferromagneti hanno una permeabilità magnetica eccezionalmente elevata, fino a un milione. All'aumentare del campo compare il fenomeno dell'isteresi, quando, con un aumento dell'intensità e con una successiva diminuzione dell'intensità, i valori di B(H) non coincidono tra loro. In letteratura esistono diverse definizioni di permeabilità magnetica. Permeabilità magnetica iniziale m n- il valore della permeabilità magnetica a bassa intensità di campo. Massima permeabilità magnetica m max- il valore massimo della permeabilità magnetica, che solitamente si ottiene in campi magnetici medi. Tra gli altri termini fondamentali che caratterizzano i materiali magnetici, notiamo quanto segue. Magnetizzazione di saturazione- la massima magnetizzazione, che si ottiene nei campi forti, quando tutti i momenti magnetici dei domini sono orientati lungo il campo magnetico. Ciclo di isteresi- dipendenza dell'induzione dall'intensità del campo magnetico quando il campo cambia in un ciclo: salire a un certo valore - diminuire, passare a zero, dopo aver raggiunto lo stesso valore con il segno opposto - crescita, ecc. Ciclo di isteresi massima- raggiungimento della massima magnetizzazione di saturazione. Riposo residuo di induzione B- induzione del campo magnetico sull'andamento inverso dell'anello di isteresi con intensità del campo magnetico zero. Forza coercitiva N s- intensità di campo sull'andamento inverso del ciclo di isteresi a cui si ottiene un'induzione zero.
Il campo magnetico ha energia. Proprio come un condensatore carico ha una fornitura di energia elettrica, una bobina con corrente che scorre attraverso le sue bobine ha una fornitura di energia magnetica.
Se si accende una lampada elettrica in parallelo con una bobina con una grande induttanza in un circuito elettrico CC, quando si apre la chiave, si osserva un breve lampeggio della lampada. La corrente nel circuito sorge sotto l'azione dell'EMF di autoinduzione. La fonte di energia rilasciata in questo caso nel circuito elettrico è il campo magnetico della bobina. L'energia W m del campo magnetico di una bobina con induttanza L, creata dalla corrente I, è uguale a Wm = LI 2 / 2 |
dove - costante magnetica.
Strumenti e accessori: configurazione da laboratorio con solenoide, alimentatore, millivoltmetro, amperometro.
Breve teoria
solenoide chiamato bobina cilindrica contenente un gran numero di spire di filo attraverso il quale scorre la corrente. Se il passo dell'elica del conduttore che forma la bobina è piccolo, allora ogni giro percorso da corrente può essere considerato come una corrente circolare separata e il solenoide come un sistema di correnti circolari collegate in serie dello stesso raggio, aventi un comune asse.
Il campo magnetico all'interno del solenoide può essere pensato come la somma dei campi magnetici creati da ogni giro. Il vettore di induzione del campo magnetico all'interno del solenoide è perpendicolare al piano delle spire, cioè è diretto lungo l'asse del solenoide e forma un sistema destrorso con la direzione delle correnti dell'anello delle spire. Un'immagine approssimativa delle linee di forza del campo magnetico del solenoide è mostrata in fig. 1. Le linee del campo magnetico sono chiuse.
La figura 2 mostra una sezione di un solenoide con una lunghezza L e con un numero di spire N e un raggio di sezione R. I cerchi con i punti indicano le sezioni delle spire della bobina attraverso le quali scorre la corrente che ho diretto dal disegno a noi , e i cerchi con le croci indicano i tratti delle spire in cui la corrente è diretta oltre il disegno. Il numero di giri per unità di lunghezza del solenoide è indicato da .
L'induzione del campo magnetico nel punto A, posto sull'asse del solenoide, è determinata integrando i campi magnetici creati da ogni giro, ed è pari a
, (1)
dove e sono gli angoli formati con l'asse del solenoide da vettori raggio e disegnati dal punto A alle spire estreme del solenoide, è la permeabilità magnetica del mezzo, 
costante magnetica.
Pertanto, l'induzione magnetica B è direttamente proporzionale all'intensità della corrente, alla permeabilità magnetica del mezzo che riempie il solenoide e al numero di spire per unità di lunghezza. L'induzione magnetica dipende anche dalla posizione del punto A rispetto alle estremità del solenoide. Consideriamo alcuni casi speciali:
1. Sia il punto A al centro del solenoide, quindi , 
e 
. Se il solenoide è abbastanza lungo, allora 
e 2)
2. Sia il punto A al centro della svolta estrema, quindi , e . Se il solenoide è abbastanza lungo, allora , e (3)
Si può vedere dalle formule (2) e (3) che l'induzione magnetica del solenoide al suo bordo è la metà del suo valore al centro.
3. Se la lunghezza del solenoide è molte volte maggiore del raggio delle sue spire
Solenoide (lungo ("infinitamente"), quindi per tutti i punti che si trovano all'interno
solenoide sul suo asse, puoi mettere . Quindi
il campo si può considerare uniforme nella parte centrale del solenoide e può essere calcolato utilizzando la formula
L'uniformità del campo magnetico è interrotta vicino ai bordi del solenoide. In questo caso, l'induzione può essere determinata dalla formula
dove k è un coefficiente che tiene conto della disomogeneità del campo.
Lo studio sperimentale del campo magnetico del solenoide in questo lavoro viene effettuato utilizzando una sonda speciale: una piccola bobina montata all'interno dell'asta con un righello di scala. L'asse della bobina coincide con l'asse del solenoide, la bobina è collegata a un millivoltmetro a corrente alternata, la cui resistenza di ingresso è molto maggiore della resistenza della bobina della sonda. Se una corrente alternata scorre attraverso il solenoide 
frequenza standard ( = 50 Hz), quindi all'interno del solenoide e ai suoi bordi, l'induzione del campo magnetico alternato cambia secondo la legge (vedi (5)):
L'ampiezza dell'induzione magnetica in questa formula dipende dalla posizione del punto all'interno del solenoide. Se una bobina della sonda viene inserita in un solenoide, allora, secondo la legge dell'induzione elettromagnetica, si genera un EMF di induzione al suo interno:
, (6)
dove N 1 è il numero di spire della bobina, S è l'area della sezione trasversale della bobina, Ф è il flusso magnetico (perché l'asse della bobina coincide con l'asse del solenoide e, quindi, il vettore di induzione magnetica è perpendicolare al piano della sezione trasversale della bobina.).
Poiché la grandezza dell'induzione B cambia secondo la legge 
, , quindi dalla (6) si ottiene la formula per il calcolo dell'EMF:
Si può vedere dall'espressione (7) che l'ampiezza dell'EMF dipende da . Quindi, misurando l'ampiezza dell'EMF, possiamo determinare:
Il coefficiente k, che tiene conto della disomogeneità del campo magnetico del solenoide ai bordi, può essere determinato dalla formula. (5), conoscendo e :
(9)
dove è l'ampiezza della corrente alternata che scorre attraverso il solenoide.
Dalle formule (7) e (9) segue che l'ampiezza della fem di induzione è direttamente proporzionale all'ampiezza della corrente alternata:
L'amperometro e il millivoltmetro inclusi nel circuito in corrente alternata misurano i valori effettivi di corrente e FEM, che sono associati ad ampiezze e relazioni:
Per i valori effettivi di corrente ed EMF, la formula (10) ha la forma
(11)
Dalla formula (11) segue che il rapporto è proporzionale al coefficiente K della disomogeneità dell'induzione del campo magnetico nel punto del solenoide dove vengono effettuate le misurazioni
(12)
dove A è il coefficiente di proporzionalità.
In questo lavoro, è necessario svolgere due compiti: 1) determinare la distribuzione dell'induzione lungo l'asse del solenoide ad un certo valore di corrente costante; 2) determinare il valore del coefficiente k.
Misure di sicurezza:
1. Non collegare/indipendentemente alimentazione e millivoltmetro a una rete a 220 V.
2. Non commutare i circuiti sotto tensione.
Non toccare le parti nude dei circuiti.
3. Non lasciare il circuito acceso incustodito.
Ordine di lavoro
Compito numero 1. Indagine sulla distribuzione dell'induzione del campo magnetico lungo l'asse del solenoide.
1. Montare il circuito di misura secondo lo schema di fig. 3. Per fare ciò, collegare una fonte di alimentazione e un amperometro al circuito del solenoide e un millivoltmetro ai conduttori della bobina della sonda (per misurare) In questa installazione, la bobina della sonda ha i seguenti parametri: = 200 giri, S = 2 * 10 -4 m 2, frequenza AC = 50 Hz, Numero di giri per unità di lunghezza del solenoide n = 2400 1/m
1- supporto da laboratorio Z - asta "
2- sonda bobina
3- solenoide
5- amperometro
6 - alimentazione con regolatore di tensione (corrente) in uscita, 7 - millivoltmetro.
2. Posizionare l'asta con la barra della scala in modo che la bobina della sonda si trovi approssimativamente al centro del solenoide.
3. Attivare l'alimentazione del solenoide e impostare la corrente del solenoide (secondo l'amperometro) a = 25 mA. Accendere il millivoltmetro e dopo il riscaldamento (5 minuti) eseguire le letture.
4. Muovendo l'asta con una scala lineare, misurare utilizzando
valore effettivo del millivoltmetro dell'EMF di induzione attraverso ciascuno
posizione centimetrica del righello. Con la formula (8) calcolare .
Registrare i risultati delle misurazioni e dei calcoli nella Tabella 1 (notare che).
Il campo magnetico del solenoide è una sovrapposizione di singoli campi, che vengono creati separatamente da ogni giro. La stessa corrente scorre attraverso tutte le curve. Gli assi di tutti i giri giacciono sulla stessa linea. Il solenoide è un induttore di forma cilindrica. Questa bobina è avvolta con filo conduttivo. In questo caso, i giri sono impilati l'uno sull'altro e hanno una direzione. Si presume che la lunghezza della bobina superi significativamente il diametro delle spire.
Diamo un'occhiata all'induzione magnetica creata da ogni giro. Si può vedere che l'induzione all'interno di ciascuna bobina è diretta nella stessa direzione. Se guardi il centro della bobina, l'induzione dai suoi bordi si sommerà. In questo caso, l'induzione del campo magnetico tra due spire adiacenti è diretta in modo opposto. Poiché è creato dalla stessa corrente, viene compensato.
Figura 1 - Il campo creato dalle singole spire del solenoide
Se le spire del solenoide sono avvolte abbastanza strettamente, tra tutte le spire il campo contatore verrà compensato e all'interno delle spire i singoli campi verranno aggiunti in un campo comune. Le linee di questo campo passeranno all'interno del solenoide e lo copriranno all'esterno.
Se esamini il campo magnetico all'interno del solenoide con qualsiasi mezzo, ad esempio usando limatura di ferro, puoi concludere che è omogeneo. Le linee del campo magnetico in questa regione sono rette parallele. Non solo sono paralleli a se stessi, ma sono anche paralleli all'asse del solenoide. Andando oltre il solenoide, vengono piegati e chiusi all'esterno della bobina.
Figura 2 - Il campo creato dal solenoide
Si può vedere dalla figura che il campo creato dal solenoide è simile al campo che crea una barra magnetica permanente. Ad un'estremità, le linee di forza escono dal solenoide e questa estremità è analoga al polo nord di un magnete permanente. Ed entrano nell'altro, e questa estremità corrisponde al polo sud. La differenza è che il campo è presente anche all'interno del solenoide. E se conduci un esperimento con la limatura di ferro, verranno attirati nello spazio tra i giri.
Ma se all'interno del solenoide viene inserito un nucleo di legno o un nucleo di qualsiasi altro materiale non magnetico, durante l'esperimento con trucioli di ferro, l'immagine del campo del magnete permanente e del solenoide sarà identica. Poiché l'anima di legno non distorcerà le linee di forza, ma allo stesso tempo non consentirà alla segatura di penetrare all'interno della bobina.
Figura 3 - Immagine del campo di una barra magnetica permanente
Diversi metodi possono essere utilizzati per determinare i poli di un solenoide. Ad esempio, il più semplice è usare un ago magnetico. Sarà attratto dal polo opposto del magnete. Se si conosce la direzione della corrente nella bobina, è possibile determinare i poli utilizzando la regola della vite destra. Se si ruota la testa della vite destra nella direzione della corrente, il movimento di traslazione indicherà la direzione del campo nel solenoide. E sapendo che il campo è diretto dal polo nord a sud, e puoi determinare dove si trova quale polo.
