Solenoidas yra cilindrinė vielos ritė. Jį galima įsivaizduoti kaip į krūvą sukrautų apskritų srovę nešančių ritių rinkinį. Elektros srovės sukuriamo magnetinio lauko jėgos linijos solenoide parodytos fig. 6.6. Kaip matote iš šio paveikslo, solenoido viduje jėgos linijos yra beveik tiesios. Kuo ilgesnis solenoidas, t.y. kuo didesnis jo ilgis, palyginti su spinduliu, tuo mažesnis jėgos linijų kreivumas solenoido viduje. Šiuo atveju vektorius AT magnetinė lauko indukcija solenoido viduje bus nukreipta lygiagrečiai jo ašiai. Ir taip, kad jo kryptis dešiniojo varžto taisykle būtų sujungta su srovės kryptimi solenoide. Nukreipkime ašį X palei solenoido ašį. Šiuo atveju magnetinės indukcijos vektoriaus projekcija į ašį X bus lygus jo moduliui, o visos kitos jo projekcijos bus lygios nuliui:
Bx=B, By=Bz=0.
Pakeiskite šias vektorines projekcijas AT į (6.12) lygtį. Gauk
Iš šios lygybės išplaukia, kad solenoido viduje magnetinės indukcijos vektorius ne tik išlaiko kryptį, bet ir jo modulis visur yra vienodas. Taigi darome išvadą, kad magnetinis laukas yra vienodas ilgo solenoido viduje.
Ryžiai. 6.6. Solenoidinis magnetinis laukas
Raskime solenoido viduje esančio lauko magnetinės indukcijos vektoriaus modulį, naudodami teoremą (6.8) apie šio vektoriaus cirkuliaciją. Kaip kontūrą C, pagal kurį skaičiuosime magnetinės indukcijos vektoriaus cirkuliaciją, pasirinksime trūkinę liniją, parodytą punktyrine linija pav. 6.6. Šios l ilgio linijos segmentas yra solenoido viduje ir sutampa su viena iš magnetinio lauko linijų. Dvi tiesios linijos, statmenos šiai atkarpai, prasideda jos galuose ir eina iki begalybės. Visuose šių tiesių taškuose magnetinės indukcijos vektorius yra arba statmenas joms (solenoido viduje) arba lygus nuliui (išorėje solenoido). Taigi skaliarinis produktas Bdl šiuose taškuose yra nulis. Taigi, magnetinės indukcijos cirkuliacija nagrinėjamoje grandinėje NUO bus lygus l ilgio tiesės atkarpos integralui. Atsižvelgdami į tai, kad magnetinės indukcijos vektoriaus modulis yra pastovi reikšmė, turėsime
Tegul solenoido, apimto grandinėje C, apsisukimų skaičius yra N.Šiuo atveju grandinės padengtų srovių suma bus lygi N.I., kur aš- srovė viename solenoido posūkyje. Teorema (6.8) veda į lygybę
Вl = μ o NI,
iš kurios randame magnetinę lauko indukciją solenoide:
B \u003d μ o nI
n – apsisukimų skaičius solenoido ilgio vienete.
Nuolatinės srovės magnetinis laukas
Apsvarstykite magnetinį lauką, kurį sukuria elektros srovė, tekanti per ploną, be galo ilgą laidą. Tokia sistema turi cilindrinę simetriją. Dėl to magnetinis laukas turi turėti šias savybes:
1) bet kurioje tiesėje, lygiagrečioje srovės laidui, magnetinės indukcijos vektorius visur turi būti vienodas;
2) kai visas magnetinis laukas sukasi aplink laidą, jis nesikeičia. Šiuo atveju magnetinio lauko jėgos linijos turėtų būti apskritimai, kurių centrai yra ant srovę nešančio laido ašies (6.7 pav.), o vektorius AT bet kuriame iš šių apskritimų visur yra vienodas modulis.
Naudodamiesi teorema (6.8) apie magnetinės indukcijos vektoriaus cirkuliaciją, randame šio vektoriaus modulį. Šiuo tikslu apskaičiuojame magnetinės indukcijos cirkuliaciją pagal vieną iš jėgos linijų NUO, kurio spindulys yra a. Kadangi vektorius AT yra lauko linijos liestinė, jis yra kolinearinis vektoriniam elementui dlšią eilutę. Štai kodėl
kur AT yra magnetinės indukcijos vektoriaus modulis, kuris, kaip minėta, yra visur apskritime NUO tas pats. Išimkime AT integraliniam ženklui. Po integracijos turėsime
= AT 2p a
Ryžiai. 6.7. Nuolatinės srovės magnetinio lauko jėgos linijos
Nuo kontūro NUO dengia tik vieną laidą su srove I, teorema (6.8) veda į lygybę
2p a AT= μ o aš
Iš čia tai matome per atstumą a iš begalinio tiesaus laido su srove aš jo sukuriamo magnetinio lauko indukcija bus
AT= μ o aš/(2p a) (6,15)
Kaip matyti iš fig. 6.7 vektoriaus kryptis AT o srovės I kryptis yra susijusi su dešiniojo varžto taisykle. Naudojant Biot-Savart-Laplace dėsnį, nesunku patikrinti, ar taip yra.
Srovių sąveika
Apsvarstykite du plonus tiesius laidus, lygiagrečius vienas kitam, kurių srovės I 1 ir I 2 (6.8 pav.). Jei atstumas R tarp laidų yra daug mažesnis nei jų ilgis, tada pirmojo laido tokiu atstumu sukurto lauko magnetinę indukciją galima rasti pagal formulę (6.15):
AT= μ o aš 1 /(2pR)
vektoriaus kryptis AT
1
susiję su srovės kryptimi aš 1 dešiniojo varžto taisyklė. Šis vektorius parodytas fig. 6.8.
Ryžiai. 6.8. Srovių sąveika
Pirmosios srovės sukurtas magnetinis laukas antrąjį laidą veiks amperine jėga F 21 , kuris nustatomas pagal (5.8) formulę:
| (6.17) |
F21 = I 2[l 2 B 1 ]
kur l 2 - vektorius, kurio ilgis lygus antrojo laido nagrinėjamos atkarpos ilgiui l. Šis vektorius nukreiptas išilgai laido srovės kryptimi. Jėgos modulis (6.17) bus
F 21 = I 2 l B 1 . (6.18)
Pakeitę išraišką (6.16) į formulę (6.18), gauname tokią jėgos, kuria pirmasis laidas veikia antrojo l ilgio laido atkarpą, išraišką:
F 21 = μ o I 1 I 2 l / (2pR)
Jėgos kryptis F 21 randame pagal (6.17) formulę. Kai srovės I 1, I 2 teka ta pačia kryptimi, ši jėga bus nukreipta į pirmąjį laidą. Stiprumas F 12 , su kuria antrasis laidas veikia pirmojo laido l ilgio atkarpą, yra lygi absoliučia verte ir priešinga jėgai F 21 .
Taigi, nustatyta, kad lygiagrečiai laidai, kurių srovės teka ta pačia kryptimi, traukia. Nesunku įrodyti, kad laidai, kurių srovės teka priešingomis kryptimis, atstumia vienas kitą.
Naudojant (6.19) formulę, nustatomas srovės stiprumo vienetas SI. Kaip žinote, šis vienetas vadinamas amperas. Pagal apibrėžimą, du ilgi ploni laidai, kurių srovės yra vienos amperas, lygiagrečiai 1 atstumu m vienas nuo kito sąveikauja su 2 10 -7 N jėga 1 m ilgio. Pakeitę šias reikšmes į formulę (6.19), mes nustatome, kad magnetinė konstanta
m 0 \u003d 4p 10 -7 N / m.
Krovinio vienetas SI – pakabukas- išreiškiamas srovės stiprumo vienetu: Cl \u003d A * s. Dviejų taškinių krūvių sąveikos jėgos matavimai 1 Cl atvedė į prasmę F= 9 10 9 N atstumu tarp įkrovimų R= 1 m. Naudodami šias vertes randame elektros konstantą e 0 iš Kulono dėsnio
F=| Q 1 Q 2 | /(4pe 0 R 2 )
Įdomu pastebėti, kad vertė
1/Öe 0 m 0 =3 10 8 m/s
skaičiais lygus šviesos greičiui vakuume.
solenoidas vadinama cilindro formos ritė, pagaminta iš vielos, kurios posūkiai yra glaudžiai suvynioti viena kryptimi, o ritės ilgis yra daug didesnis už posūkio spindulį.
Solenoido magnetinis laukas gali būti pavaizduotas kaip laukų, sukurtų kelių apskritų srovių, turinčių bendrą ašį, pridėjimo rezultatas. 3 paveiksle parodyta, kad solenoido viduje kiekvieno atskiro posūkio magnetinės indukcijos linijos yra vienodos krypties, o tarp gretimų posūkių – priešinga.
Todėl, esant pakankamai tankiai solenoido apvijai, gretimų posūkių priešingos krypties magnetinės indukcijos linijų atkarpos viena kitą panaikina, o vienodai nukreiptos atkarpos susilieja į bendrą magnetinės indukcijos liniją, praeinančią solenoido viduje ir dengiančią jį nuo lauke. Šio lauko tyrimas naudojant pjuvenas parodė, kad laukas yra vienodas solenoido viduje, magnetinės linijos yra tiesios linijos, lygiagrečios solenoido ašiai, kurios jo galuose išsiskiria ir užsidaro už solenoido (4 pav.).
Nesunku įžvelgti solenoido magnetinio lauko (už jo ribų) ir nuolatinio strypo magneto magnetinio lauko panašumą (5 pav.). Solenoido galas, iš kurio išeina magnetinės linijos, yra panašus į šiaurinį magneto polių N, kitas solenoido galas, į kurį patenka magnetinės linijos, yra panašus į pietinį magneto polių S.
Solenoido su srove polius nesunku eksperimentiškai nustatyti naudojant magnetinę adatą. Žinant srovės kryptį ritėje, šiuos polius galima nustatyti naudojant dešiniojo varžto taisyklę: dešiniojo varžto galvutę pasukame pagal srovę ritėje, tada varžto galiuko transliacinis judėjimas nurodyti solenoido magnetinio lauko kryptį, taigi ir jo šiaurinį polių. Magnetinės indukcijos modulis vieno sluoksnio solenoido viduje apskaičiuojamas pagal formulę
B = μμ 0 NI l = μμ 0 nl,
kur Ν yra solenoido apsisukimų skaičius, aš yra solenoido ilgis, n yra apsisukimų skaičius solenoido ilgio vienetui.
| Magneto įmagnetinimas. Įmagnetinimo vektorius. |
|||||||||
Jei per laidininką teka srovė, aplink laidininką susidaro magnetinis laukas. Mes iki šiol svarstėme laidus, kuriais srovės tekėjo vakuume. Jei laidai, kuriais teka srovė, yra tam tikroje aplinkoje, tada lyd. pokyčius. Tai paaiškinama tuo, kad pagal veiksmą lyd. bet kuri medžiaga gali įgyti magnetinį momentą arba būti įmagnetinta (medžiaga tampa magnetinis). Medžiagos, kurios yra įmagnetintos išorinėje, lyd.p. prieš lauko kryptį vadinami diamagnetai. Medžiagos, kurios silpnai įmagnetintos išoriniame lyd.p. lauko kryptimi vadinami paramagnetai Įmagnetinta medžiaga sukuria lyd.t. - , tai lyd.p. dedamas ant mp, dėl srovių - . Tada gautas laukas:
Tikrasis (mikroskopinis) laukas magnete labai skiriasi tarpmolekulinių atstumų ribose. yra makroskopinio lauko vidurkis. Dėl paaiškinimo įmagnetinimas Kūnai Ampere'as pasiūlė, kad medžiagos molekulėse cirkuliuoja apskritos mikroskopinės srovės dėl elektronų judėjimo atomuose ir molekulėse. Kiekviena tokia srovė turi magnetinį momentą ir sukuria magnetinį lauką supančioje erdvėje. Jei nėra išorinio lauko, tada molekulinės srovės yra atsitiktinai orientuotos, o dėl jų gaunamas laukas yra 0. Įmagnetinimas yra vektorinis dydis, lygus magnetiniam momentui, tenkančiam magneto tūrio vienetui:
kur yra fiziškai be galo mažas tūris, paimtas netoli nagrinėjamo taško; yra atskiros molekulės magnetinis momentas. Sumuojama visose tūryje esančiose molekulėse (prisiminkime kur, - poliarizacija dielektrikas, - dipolio elementas ). Įmagnetinimą galima pavaizduoti taip: Magnetizuojančios srovės I". Medžiagos įmagnetinimas yra susijęs su vyraujančia atskirų molekulių magnetinių momentų orientacija viena kryptimi. Su kiekviena molekule susijusios elementarios apskritimo srovės vadinamos molekulinės. Molekulinės srovės pasirodo orientuotos, t.y. atsiranda magnetizuojančios srovės. Srovės, tekančios per laidus, dėl srovės nešėjų judėjimo medžiagoje, vadinamos laidumo srovėmis. Elektronui, judančiam apskritimo orbita pagal laikrodžio rodyklę; srovė nukreipta prieš laikrodžio rodyklę ir pagal dešiniojo varžto taisyklę nukreipta vertikaliai aukštyn. Įmagnetinimo vektoriaus cirkuliacija išilgai savavališkos uždaros grandinės yra lygi G grandinės padengtų įmagnetinimo srovių algebrinei sumai. Vektorių cirkuliacijos teoremos diferencialinė forma. Magnetinio lauko stiprumas (standartinis žymėjimas H) yra vektorinis fizinis dydis, lygus magnetinės indukcijos vektoriaus skirtumui B ir įmagnetinimo vektorius M. SI: Paprasčiausiu izotropinės (magnetinių savybių atžvilgiu) terpės atveju ir pakankamai žemų lauko kitimo dažnių aproksimacija B ir H yra tiesiog proporcingi vienas kitam, skiriasi tiesiog skaitiniu koeficientu (priklausomai nuo aplinkos) B = μ H sistemoje GHS arba B = μ 0 μ H sistemoje SI(cm. Magnetinis pralaidumas, taip pat žr Magnetinis jautrumas). Sistemoje GHS Magnetinio lauko stiprumas matuojamas oersteds(E), SI sistemoje – amperais per metras(Esu). Technologijoje oersted pamažu keičiamas SI vienetu – amperu vienam metrui. 1 Oe \u003d 1000 / (4π) A / m ≈ 79,5775 A / m. 1 A/m = 4π/1000 Oe ≈ 0,01256637 Oe. fizinę reikšmęVakuume (arba nesant terpės, galinčios atlikti magnetinę poliarizaciją, taip pat tais atvejais, kai pastaroji yra nereikšminga), magnetinio lauko stiprumas sutampa su magnetinės indukcijos vektoriumi iki koeficiento, lygaus 1 CGS ir μ 0 SI. AT magnetai(magnetinė terpė) magnetinio lauko stiprumas turi fizinę „išorinio“ lauko reikšmę, tai yra, jis sutampa (galbūt, priklausomai nuo matavimo vienetų, iki pastovaus koeficiento, pvz., SI sistemoje, kuris ne pakeisti bendrą reikšmę) su tokia vektorine magnetine indukcija, kuri „būtų, jei nebūtų magneto“. Pavyzdžiui, jei lauką sukuria srovę nešanti ritė, į kurią įkišama geležinė šerdis, tada magnetinio lauko stiprumas H šerdies viduje sutampa (in GHS tiksliai, o SI - iki pastovaus matmenų koeficiento) su vektoriumi B 0 , kurį sukurtų ši ritė, jei šerdies nebūtų ir kurią iš esmės galima apskaičiuoti pagal ritės geometriją ir srovę joje, be jokios papildomos informacijos apie šerdies medžiagą ir jos magnetinį savybių. Tuo pačiu metu reikia turėti omenyje, kad pagrindinė magnetinio lauko charakteristika yra magnetinės indukcijos vektorius. B . Būtent jis nustato judančių įkrautų dalelių ir srovių magnetinio lauko stiprumą, taip pat gali būti tiesiogiai matuojamas, o magnetinio lauko stiprumas H gali būti laikomas veikiau kaip pagalbinis dydis (nors jį lengviau apskaičiuoti, bent jau statiniu atveju, o tai yra jo reikšmė: juk H sukurti vadinamąjį laisvos srovės, kuriuos palyginti lengva tiesiogiai išmatuoti, bet sunku išmatuoti sujungtos srovės– tai yra molekulines sroves ir pan. – nereikia atsižvelgti). Tiesa, dažniausiai vartojama magnetinio lauko (terpėje) energijos išraiška B ir H įeina beveik vienodai, tačiau reikia turėti omenyje, kad ši energija apima energiją, išeikvojamą terpės poliarizacijai, o ne tik paties lauko energiją. Magnetinio lauko energija išreiškiama tik per pagrindą B . Tačiau aišku, kad vertė H fenomenologiškai ir čia labai patogu. Magnetų tipai Diamagnetų magnetinis laidumas yra šiek tiek mažesnis nei 1. Jie skiriasi tuo, kad yra išstumti iš magnetinio lauko. Paramagnetai kurių magnetinis pralaidumas yra šiek tiek didesnis nei 1. Didžioji dauguma medžiagų yra dia- ir paramagnetinės. feromagnetai pasižymi išskirtinai dideliu magnetiniu pralaidumu, siekiančiu iki milijono. Didėjant laukui, atsiranda histerezės reiškinys, kai, didėjant intensyvumui ir vėliau mažėjant intensyvumui, B (H) reikšmės nesutampa. Literatūroje yra keletas magnetinio pralaidumo apibrėžimų. Pradinis magnetinis pralaidumas m n- magnetinio pralaidumo vertė esant mažam lauko stipriui. Didžiausia magnetinė skvarba m maks- didžiausia magnetinio pralaidumo vertė, kuri paprastai pasiekiama vidutiniuose magnetiniuose laukuose. Iš kitų pagrindinių terminų, apibūdinančių magnetines medžiagas, atkreipiame dėmesį į šiuos dalykus. Prisotinimo įmagnetinimas- maksimalus įmagnetinimas, kuris pasiekiamas stipriuose laukuose, kai visi domenų magnetiniai momentai yra orientuoti išilgai magnetinio lauko. Histerezės kilpa- indukcijos priklausomybė nuo magnetinio lauko stiprumo, kai laukas kinta cikle: kilimas iki tam tikros reikšmės - mažėjimas, perėjimas per nulį, pasiekus tą pačią reikšmę su priešingu ženklu - augimas ir kt. Maksimali histerezės kilpa- pasiekus maksimalų soties įmagnetinimą. Likutinė indukcija B poilsis- magnetinio lauko indukcija atvirkštine histerezės kilpos eiga, kai magnetinio lauko stiprumas nulinis. Prievartos jėga N s- lauko stiprumas atvirkštine histerezės kilpos eiga, kuriai esant pasiekiama nulinė indukcija.
Magnetinis laukas turi energiją. Kaip įkrautas kondensatorius tiekia elektros energiją, taip ritė, kurios ritėmis teka srovė, tiekia magnetinę energiją.
Jei nuolatinės srovės elektros grandinėje lygiagrečiai įjungiate elektros lempą su didelės induktyvumo ritė, tada atidarius raktą pastebimas trumpas lempos blyksnis. Srovė grandinėje atsiranda veikiant savaiminės indukcijos EMF. Šiuo atveju elektros grandinėje išsiskiriančios energijos šaltinis yra ritės magnetinis laukas. Ritės, kurios induktyvumas L, magnetinio lauko energija W m, kurią sukuria srovė I, yra lygi W m = LI 2/2 |
kur - magnetinė konstanta.
Prietaisai ir priedai: laboratorinė sąranka su solenoidu, maitinimo šaltiniu, milivoltmetru, ampermetru.
Trumpa teorija
solenoidas vadinama cilindrine ritė, kurioje yra daug laido vijų, kuriomis teka srovė. Jei ritę sudarančio laidininko spiralės žingsnis yra mažas, tada kiekvienas srovės posūkis gali būti laikomas atskira apskrito srove, o solenoidas - nuosekliai sujungtų to paties spindulio žiedinių srovių sistema, turinčia bendrą ašį.
Magnetinis laukas solenoido viduje gali būti laikomas kiekvieno posūkio sukuriamų magnetinių laukų suma. Magnetinio lauko indukcijos vektorius solenoido viduje yra statmenas posūkių plokštumai, t.y. yra nukreiptas išilgai solenoido ašies ir sudaro dešinę sistemą su posūkių žiedinių srovių kryptimi. Apytikslis solenoido magnetinio lauko jėgos linijų vaizdas parodytas fig. 1. Magnetinio lauko linijos uždarytos.
2 paveiksle pavaizduota solenoido pjūvis, kurio ilgis L ir posūkių skaičius N, o skerspjūvio spindulys R. Apskritimai su taškais nurodo ritės posūkių atkarpas, kuriomis teka srovė, kurią aš nukreipiau iš brėžinio į mus. , o apskritimai su kryžiais nurodo posūkių atkarpas, kuriose srovė nukreipta už brėžinio. Solenoido ilgio vieneto apsisukimų skaičius žymimas .
Magnetinio lauko indukcija taške A, esančiame ant solenoido ašies, nustatoma integruojant kiekvieno posūkio sukuriamus magnetinius laukus ir yra lygi
, (1)
kur ir yra kampai, suformuoti su solenoido ašimi spindulio vektoriais ir nubrėžti nuo taško A iki kraštinių solenoido posūkių, yra terpės magnetinis pralaidumas, 
magnetinė konstanta.
Taigi magnetinė indukcija B yra tiesiogiai proporcinga srovės stipriui, solenoidą užpildančios terpės magnetiniam pralaidumui ir apsisukimų skaičiui ilgio vienete. Magnetinė indukcija taip pat priklauso nuo taško A padėties solenoido galų atžvilgiu. Panagrinėkime keletą ypatingų atvejų:
1. Tegul taškas A yra solenoido centre, tada , 
ir 
. Jei solenoidas yra pakankamai ilgas, tada 
ir 2)
2. Tegul taškas A yra kraštutinio posūkio centre, tada , ir . Jei solenoidas yra pakankamai ilgas, tada ir (3)
Iš (2) ir (3) formulių matyti, kad solenoido magnetinė indukcija jo krašte yra perpus mažesnė už jo vertę centre.
3. Jeigu solenoido ilgis daug kartų didesnis už jo posūkių spindulį
(„be galo“ ilgas solenoidas), tada visiems viduje esantiems taškams
solenoidą ant savo ašies galite įdėti . Tada
laukas gali būti laikomas vienodu centrinėje solenoido dalyje ir gali būti apskaičiuotas naudojant formulę
Magnetinio lauko vienodumas yra pažeistas šalia solenoido kraštų. Šiuo atveju indukciją galima nustatyti pagal formulę
kur k yra koeficientas, kuriame atsižvelgiama į lauko nehomogeniškumą.
Eksperimentinis solenoido magnetinio lauko tyrimas šiame darbe atliekamas naudojant specialų zondą - mažą ritę, sumontuotą strypo viduje su mastelio liniuote. Ritės ašis sutampa su solenoido ašimi, ritė prijungta prie kintamosios srovės milivoltmetro, kurio įėjimo varža yra daug didesnė už zondo ritės varžą. Jeigu per solenoidą teka kintamoji srovė 
standartiniu dažniu ( = 50 Hz), tada solenoido viduje ir jo kraštuose kintamojo magnetinio lauko indukcija keičiasi pagal dėsnį (žr. (5)):
Magnetinės indukcijos amplitudė šioje formulėje priklauso nuo taško padėties solenoido viduje. Jei zondo ritė dedama į solenoidą, pagal elektromagnetinės indukcijos dėsnį jame atsiranda indukcinis EMF:
, (6)
kur N 1 yra ritės apsisukimų skaičius, S yra ritės skerspjūvio plotas, Ф yra magnetinis srautas (nes ritės ašis sutampa su solenoido ašimi ir todėl magnetinės indukcijos vektorius yra statmenas į ritės skerspjūvio plokštumą.).
Kadangi indukcijos B dydis kinta pagal dėsnį 
, , tada iš (6) gaunama EML apskaičiavimo formulė:
Iš (7) išraiškos matyti, kad EML amplitudė priklauso nuo . Taigi, išmatuodami EML amplitudę, galime nustatyti:
Koeficientas k, kuriame atsižvelgiama į solenoido magnetinio lauko nehomogeniškumą kraštuose, gali būti nustatytas pagal formulę. (5), žinant ir:
(9)
kur yra kintamosios srovės, tekančios per solenoidą, amplitudė.
Iš (7) ir (9) formulių matyti, kad indukcijos emf amplitudė yra tiesiogiai proporcinga kintamosios srovės amplitudei:
Ampermetras ir milivoltmetras, įtraukti į kintamosios srovės grandinę, matuoja efektyvias srovės ir EMF vertes, kurios yra susijusios su amplitude ir santykiais:
Srovės ir EMF efektyviosioms vertėms (10) formulė turi formą
(11)
Iš (11) formulės matyti, kad santykis yra proporcingas magnetinio lauko indukcijos nehomogeniškumo koeficientui K solenoido taške, kuriame atliekami matavimai.
(12)
kur A yra proporcingumo koeficientas.
Šiame darbe reikia atlikti dvi užduotis: 1) nustatyti indukcijos pasiskirstymą pagal solenoido ašį, esant tam tikrai pastoviai srovės vertei; 2) nustatyti koeficiento k reikšmę.
Saugos priemonės:
1. Nejunkite / nepriklausomai maitinimo šaltinio ir milivoltmetro prie 220 V tinklo.
2. Neperjunkite maitinimo grandinių.
Nelieskite nuogų grandinių dalių.
3. Nepalikite įjungtos grandinės be priežiūros.
Darbo tvarka
Užduotis numeris 1. Magnetinio lauko indukcijos pasiskirstymo pagal solenoido ašį tyrimas.
1. Sumontuokite matavimo grandinę pagal schemą, parodytą pav. 3. Norėdami tai padaryti, prijunkite maitinimo šaltinį ir ampermetrą prie solenoido grandinės, o milivoltmetrą prie zondo ritės laidų (matuoti ) Šiame įrengime zondo ritė turi šiuos parametrus: = 200 apsisukimų, S = 2 * 10 -4 m 2, dažnis AC = 50 Hz, Apsisukimų skaičius solenoido ilgio vienete n = 2400 1/m
1 - laboratorinis stovas Z - strypas "
2- ritė-zondas
3 - solenoidas
5 - ampermetras
6 - maitinimo šaltinis su išėjimo įtampos (srovės) reguliatoriumi, 7 - milivoltmetras.
2. Padėkite strypą su skalės juosta taip, kad zondo ritė būtų maždaug solenoido viduryje.
3. Įjunkite solenoido maitinimą ir nustatykite solenoido srovę (pagal ampermetrą) į = 25mA. Įjunkite milivoltmetrą ir pašildykite (5 minutes) paimkite rodmenis.
4. Judinant meškerę linijine skale, išmatuokite naudodami
milivoltmetro efektyvioji indukcinio EML vertė per kiekvieną
centimetro liniuotės padėtis. Pagal (8) formulę apskaičiuokite .
Įrašykite matavimų ir skaičiavimų rezultatus į 1 lentelę (atkreipkite dėmesį į tai).
Elektros srovės magnetinis laukas
Magnetinį lauką sukuria ne tik natūralūs ar dirbtiniai, bet ir laidininkas, jei per jį praeina elektros srovė. Todėl yra ryšys tarp magnetinių ir elektrinių reiškinių.
Nesunku įsitikinti, kad aplink laidininką, kuriuo teka srovė, susidaro magnetinis laukas. Virš kilnojamosios magnetinės adatos lygiagrečiai pastatykite tiesų laidininką ir per jį praleiskite elektros srovę. Rodyklė užims statmeną laidininkui padėtį.
Kokios jėgos gali priversti magnetinę adatą pasisukti? Akivaizdu, kad aplink laidininką atsiradusio magnetinio lauko stiprumas. Išjunkite srovę ir magnetinė adata grįš į normalią padėtį. Tai rodo, kad išjungus srovę, dingo ir laidininko magnetinis laukas.
Taigi, elektros srovė, einanti per laidininką, sukuria magnetinį lauką. Norėdami sužinoti, kuria kryptimi nukryps magnetinė adata, taikykite dešinės rankos taisyklę. Jei dešinė ranka dedama virš laidininko delnu žemyn taip, kad srovės kryptis sutaptų su pirštų kryptimi, tada sulenktas nykštys parodys magnetinės adatos, padėtos po laidu, šiaurinio poliaus nuokrypio kryptį. . Naudodami šią taisyklę ir žinodami rodyklės poliškumą, taip pat galite nustatyti srovės kryptį laidininke.
Tiesiojo laidininko magnetinis laukas turi koncentrinių apskritimų formą. Jei dešinę ranką uždėsite ant laidininko delnu žemyn taip, kad atrodo, kad srovė teka iš pirštų, tada sulenktas nykštys bus nukreiptas į magnetinės adatos šiaurinį ašigalį.Toks laukas vadinamas apskritu magnetiniu lauku.
Apvalaus lauko jėgos linijų kryptis priklauso nuo laidininko ir yra nulemta vadinamųjų „Gimlet“ taisyklė. Jei antgalis psichiškai prisukamas srovės kryptimi, tada jo rankenos sukimosi kryptis sutaps su magnetinio lauko jėgos linijų kryptimi. Taikydami šią taisyklę, galite sužinoti srovės kryptį laidininke, jei žinote šios srovės sukuriamo lauko lauko linijų kryptį.
Grįžtant prie eksperimento su magnetine adata, galime įsitikinti, kad ji visada yra šiauriniu galu magnetinio lauko linijų kryptimi.
Taigi, Tiesus laidininkas, nešantis elektros srovę, sukuria aplink jį magnetinį lauką. Jis turi koncentrinių apskritimų formą ir vadinamas apskritu magnetiniu lauku.
Marinuoti agurkai e. Solenoidinis magnetinis laukas
Magnetinis laukas atsiranda aplink bet kurį laidininką, nepaisant jo formos, jei per laidininką praeina elektros srovė.
Elektros inžinerijoje mes susiduriame su daugybe posūkių. Norėdami ištirti mus dominančios ritės magnetinį lauką, pirmiausia apsvarstykite, kokią formą turi vieno posūkio magnetinis laukas.
Įsivaizduokite storos vielos ritę, kuri prasiskverbia į kartono lakštą ir prijungta prie srovės šaltinio. Kai elektros srovė teka per ritę, aplink kiekvieną atskirą ritės dalį susidaro apskritas magnetinis laukas. Pagal „įtvaros“ taisyklę nesunku nustatyti, kad magnetinės jėgos linijos ritės viduje yra vienodos krypties (į mus arba nuo mūsų, priklausomai nuo srovės krypties ritėje), ir jos išeina iš vienos ritės pusėje ir įeikite į kitą pusę. Tokių ritinių serija, turinti spiralės formą, yra vadinamoji solenoidas (ritė).
Aplink solenoidą, per jį tekant srovei, susidaro magnetinis laukas. Jis gaunamas sudedant kiekvienos ritės magnetinius laukus ir savo forma primena tiesinio magneto magnetinį lauką. Solenoido magnetinio lauko jėgos linijos, taip pat tiesiame magnete, išeina iš vieno solenoido galo ir grįžta į kitą. Solenoido viduje jie turi tą pačią kryptį. Taigi solenoido galai turi poliškumą. Pabaiga, iš kurios išeina jėgos linijos, yra Šiaurės ašigalis solenoidinis, o galas, į kurį patenka jėgos linijos, yra jo pietinis ašigalis.
Solenoidiniai poliai galima nustatyti pagal dešinės rankos taisyklė, bet tam reikia žinoti srovės kryptį jos posūkiuose. Jei dešinę ranką dedate ant solenoido delnu žemyn, kad srovė atrodytų, eina iš pirštų, tada sulenktas nykštys bus nukreiptas į solenoido šiaurinį ašigalį.. Iš šios taisyklės išplaukia, kad solenoido poliškumas priklauso nuo srovės krypties jame. Praktiškai tai nesunku patikrinti magnetine adata priartinus vieną iš solenoido polių ir pakeitus srovės kryptį solenoide. Rodyklė akimirksniu pasisuks 180°, t.y. rodys, kad pasikeitė solenoido poliai.
Solenoidas turi savybę traukti į save lengvus geležinius daiktus. Jei solenoido viduje įdedamas plieninis strypas, po kurio laiko, veikiant solenoido magnetiniam laukui, strypas įmagnetins. Šis metodas naudojamas gamyboje.
Elektromagnetai
Tai ritė (solenoidas), kurios viduje yra geležinė šerdis. Elektromagnetų formos ir dydžiai yra įvairūs, tačiau bendras jų visų išdėstymas yra vienodas.
Elektromagneto ritė yra rėmas, dažniausiai pagamintas iš preso kartono arba pluošto ir turi įvairių formų, priklausomai nuo elektromagneto paskirties. Ant rėmo keliais sluoksniais suvyniota varine izoliuota viela – elektromagneto apvija. Jis turi skirtingą apsisukimų skaičių ir yra pagamintas iš skirtingo skersmens vielos, priklausomai nuo elektromagneto paskirties.
Siekiant apsaugoti apvijos izoliaciją nuo mechaninių pažeidimų, apvija padengiama vienu ar keliais popieriaus sluoksniais ar kita izoliacine medžiaga. Apvijos pradžia ir pabaiga išvedama ir prijungiama prie išėjimo gnybtų, sumontuotų ant rėmo, arba prie lanksčių laidininkų su antgaliais galuose.
Elektromagnetinė ritė montuojama ant šerdies, pagamintos iš minkštos, atkaitintos geležies arba geležies lydinių su siliciu, nikeliu ir tt Tokia geležis turi mažiausiai likučių. Šerdys dažniausiai gaminamos iš plonų lakštų, izoliuotų vienas nuo kito. Priklausomai nuo elektromagneto paskirties, šerdies forma gali būti skirtinga.
Jeigu per elektromagneto apviją praleidžiama elektros srovė, tai aplink apviją susidaro magnetinis laukas, kuris įmagnetina šerdį. Kadangi šerdis yra pagaminta iš minkštos geležies, ji akimirksniu bus įmagnetinta. Jei tada srovė bus išjungta, šerdies magnetinės savybės taip pat greitai išnyks ir ji nustos būti magnetu. Elektromagneto, kaip ir solenoido, poliai nustatomi pagal dešinės rankos taisyklę. Jei pakeičiama elektromagneto apvija, atitinkamai pasikeis ir elektromagneto poliškumas.
Elektromagneto veikimas panašus į nuolatinio magneto veikimą. Tačiau tarp jų yra didelis skirtumas. Nuolatinis magnetas visada turi magnetinių savybių, o elektromagnetas tik tada, kai per jo apviją teka elektros srovė.
Be to, nuolatinio magneto traukos jėga nesikeičia, nes nuolatinio magneto magnetinis srautas nesikeičia. Elektromagneto traukos jėga nėra pastovi vertė. Tas pats elektromagnetas gali turėti skirtingas traukos jėgas. Bet kurio magneto traukos jėga priklauso nuo jo magnetinio srauto dydžio.
Traukos jėga, taigi ir jos magnetinis srautas, priklauso nuo srovės, einančios per šio elektromagneto apviją, dydžio. Kuo didesnė srovė, tuo didesnė elektromagneto traukos jėga, ir, atvirkščiai, kuo mažesnė srovė elektromagneto apvijoje, tuo mažesnė jėga pritraukia prie savęs magnetinius kūnus.
Tačiau įvairaus dizaino ir dydžio elektromagnetams jų traukos jėga priklauso ne tik nuo srovės dydžio apvijoje. Jei, pavyzdžiui, paimtume du tokio paties prietaiso ir matmenų elektromagnetus, bet vieną su nedideliu apvijų apsisukimų skaičiumi, o kitą su daug didesniu skaičiumi, tada nesunku pastebėti, kad esant tokiai pačiai srovei, traukos jėga pastarasis bus daug didesnis. Iš tiesų, kuo didesnis apvijos apsisukimų skaičius, tuo didesnė esant tam tikrai srovei aplink šią apviją sukuriamas magnetinis laukas, nes jį sudaro kiekvieno posūkio magnetiniai laukai. Tai reiškia, kad elektromagneto magnetinis srautas, taigi ir jo traukos jėga, bus kuo didesnis, tuo didesnis apvijos apsisukimų skaičius.
Yra dar viena priežastis, kuri turi įtakos elektromagneto magnetinio srauto dydžiui. Tai yra jo magnetinės grandinės kokybė. Magnetinė grandinė yra kelias, kuriuo užsidaro magnetinis srautas. Magnetinė grandinė turi tam tikrą magnetinė varža. Magnetinė varža priklauso nuo terpės, per kurią praeina magnetinis srautas, magnetinio pralaidumo. Kuo didesnis šios terpės magnetinis pralaidumas, tuo mažesnė jos magnetinė varža.
Kadangi m feromagnetinių kūnų (geležies, plieno) magnetinis pralaidumas daug kartų didesnis už oro magnetinį laidumą, todėl elektromagnetus labiau apsimoka gaminti taip, kad jų magnetinėje grandinėje nebūtų oro sekcijų. Vadinamas elektromagneto apvijos srovės ir apsisukimų skaičiaus sandauga magnetovaros jėga. Magnetovaros jėga matuojama amperų apsisukimų skaičiumi.
Pavyzdžiui, 1200 apsisukimų elektromagneto apvija teka 50 mA srovę. Magnetinė varomoji jėga toks elektromagnetas lygus 0,05 x 1200 = 60 amperų apsisukimų.
Magnetovaros jėgos veikimas panašus į elektrovaros jėgos veikimą elektros grandinėje. Kaip EML sukelia elektros srovę, magnetovaros jėga sukuria magnetinį srautą elektromagnete. Kaip ir elektros grandinėje, padidėjus EML, didėja kainos srovė, taip ir magnetinėje grandinėje, didėjant magnetovaros jėgai, didėja magnetinis srautas.
Veiksmas magnetinė varža panašus į grandinės elektrinės varžos veikimą. Srovei mažėjant didėjant elektros grandinės varžai, taip ir magnetinėje grandinėje magnetinės varžos padidėjimas sukelia magnetinio srauto sumažėjimą.
Elektromagneto magnetinio srauto priklausomybė nuo magnetovaros jėgos ir jo magnetinės varžos gali būti išreikšta formule, panašia į Ohmo dėsnio formulę: magnetovaros jėga \u003d (magnetinis srautas / magnetinė varža)
Magnetinis srautas lygus magnetovaros jėgai, padalytai iš magnetinės varžos.
Apvijos apsisukimų skaičius ir kiekvieno elektromagneto magnetinė varža yra pastovi vertė. Todėl tam tikro elektromagneto magnetinis srautas kinta tik pasikeitus srovei, tekėjusiai per apviją. Kadangi elektromagneto traukos jėgą lemia jo magnetinis srautas, norint padidinti (arba sumažinti) elektromagneto traukos jėgą, reikia atitinkamai padidinti (arba sumažinti) srovę jo apvijoje.
poliarizuotas elektromagnetas
Poliarizuotas elektromagnetas yra nuolatinio magneto ir elektromagneto derinys. Sutvarkyta taip. Prie nuolatinio magneto polių tvirtinami vadinamieji minkštųjų geležinių polių ilgintuvai. Kiekvienas polių pratęsimas tarnauja kaip elektromagneto šerdis, ant jo sumontuota ritė su apvija. Abi apvijos sujungtos nuosekliai.
Kadangi polių pratęsimai yra tiesiogiai pritvirtinti prie nuolatinio magneto polių, jie turi magnetinių savybių net ir nesant srovės apvijose; tuo pačiu metu jų traukos jėga nekinta ir yra nulemta nuolatinio magneto magnetinio srauto.
Poliarizuoto elektromagneto veikimas slypi tame, kad kai srovė teka per jo apvijas, jo polių traukos jėga didėja arba mažėja, priklausomai nuo apvijų srovės dydžio ir krypties. Šią poliarizuoto elektromagneto savybę veikia kiti elektros prietaisai.
Magnetinio lauko poveikis srovės laidininkui
Jei laidininkas įdėtas į magnetinį lauką taip, kad jis būtų statmenas lauko jėgos linijoms, o per šį laidininką praeina elektros srovė, tada laidininkas pradės judėti ir bus išstumtas iš magnetinio lauko. .
Dėl magnetinio lauko sąveikos su elektros srove laidininkas pajuda, t.y. elektros energija paverčiama mechanine energija.
Jėga, kuria laidininkas išstumiamas iš magnetinio lauko, priklauso nuo magneto magnetinio srauto dydžio, srovės stiprio laidininke ir tos laidininko dalies, kurią kerta lauko linijos, ilgio.Šios jėgos kryptis, t.y. laidininko judėjimo kryptis, priklauso nuo srovės krypties laidininke ir ją lemia kairės rankos taisyklė.
Jei laikote kairės rankos delną taip, kad jis apimtų lauko magnetinio lauko linijas, o ištiesti keturi pirštai būtų nukreipti į srovės kryptį laidininke, tada sulenktas nykštys parodys laidininko judėjimo kryptį.. Taikydami šią taisyklę turime atsiminti, kad lauko linijos išeina iš šiaurinio magneto poliaus.
Technologijoje magnetiniam laukui sukurti naudojamas solenoidas – cilindrinė ritė, susidedanti iš daugybės posūkių, tolygiai suvyniotų ant bendros šerdies (4.5 pav.).
Apsvarstykite ilgio solenoidą L turintys N ritės, kuriomis teka srovė aš. Manome, kad solenoido ilgis yra daug kartų didesnis nei jo posūkių skersmenys. Tokio solenoido magnetinis laukas yra visiškai sutelktas jo viduje ir vienodas. Už solenoido ribų laukas yra mažas ir praktiškai gali būti laikomas lygiu nuliui.
Solenoido magnetinio lauko indukcijos dydį galima rasti pridedant kiekvieno solenoido posūkio sukuriamų laukų magnetines indukcijas. Kadangi solenoido posūkiai yra suvynioti arti vienas kito, išilgai dx koncentruoti posūkiai. Visa žiedu tekanti srovė, storis dx, yra lygus . Taške, esančiame ant solenoido ašies, kiekvienas toks žiedas sukuria magnetinį lauką pagal (4.7), lygų:
.
Visas laukas:
(4.9)
Integruodami darome prielaidą, kad solenoidas yra begalinis. Kaip matyti iš (4.9), solenoido magnetinis laukas priklauso nuo apvijos tankio – apsisukimų skaičiaus solenoido ilgio vienetui.
magnetinis srautas
Magnetinės indukcijos vektoriaus (magnetinio srauto) srautas per vietą dS vadinamas skaliariniu fiziniu dydžiu, lygiu:
dФ = Bn dS = Bcosα × dS, (4.10)
kur Užeiga yra vektorinė projekcija AT statmena vietai kryptimi dS; α yra kampas tarp normalaus vektoriaus n ir vektorius AT .
Teigiama normaliosios krypties kryptis yra susijusi su dešiniojo varžto taisykle su srove, tekančia išilgai kontūro, kuris riboja plotą dS. magnetinis srautas F per savavališką paviršių S gali būti pavaizduotas kaip:
Magnetinio lauko poveikis krūviams
Dėl elektros krūvio q, judantis magnetiniame lauke su indukcija AT su greičiu V , Lorenco jėga veikia:
. (4.12)
Absoliuti magnetinės jėgos vertė:
F = qvB Sinα ,
kur α
yra kampas tarp vektorių V
ir AT.
Pagal kryžminio produkto taisyklę, magnetinė jėga F statmena plokštumai, kurioje yra vektoriai V ir B.
Jeigu q>0, magnetinė jėga F sutampa su vektorinės sandaugos kryptimi [ V, B ], jei q<0, то противоположно.
Teigiamam krūviui, judančiam magnetiniame lauke, kaip parodyta 4.6 pav., jėga F nukreiptas išilgai neigiamos ašies krypties Z. Išilginio greičio komponentas V ll veikiant magnetiniam laukui, įkrautos dalelės judėjimas išilgai ašies X- uniforma. Gautas dalelės judėjimas yra išilgai spiralės (4.6 pav.). Spiralė gali būti dešinė arba kairė, priklausomai nuo krūvio ženklo. q.
Sraigės spindulys R randame iš sąlygos, kad dalelei tolygiai judant išilgai apskritimo, jėga F yra įcentrinė jėga:
,
kur m-įkrautos dalelės masė. Iš čia:
.
Laikas, per kurį dalelė visiškai apsisuka (periodas):
. (4.13)
Iš (4.13) formulės išplaukia, kad dalelės apsisukimo laikotarpis nepriklauso nuo jos greičio. Tačiau reikia atsiminti, kad ši išvada galioja tik tuo atveju, jei V<<c, kur: Su yra šviesos greitis.
Jei dalelės judėjimas vyksta kaip magnetiniame lauke su indukcija B , o elektriniame lauke su intensyvumu E, tada jį veikia apibendrinta Lorenco jėga:
. (4.14)
Elektromagnetinė indukcija
Jei magnetinės indukcijos srautas per grandinę keičiasi laikui bėgant, tada pagal Faradėjaus elektromagnetinės indukcijos dėsnį grandinėje atsiranda indukcijos EML:
E= – , (4.15)
Ženklas (-) reiškia: indukcijos srovė visada turi tokią kryptį, kad jos sukurtas magnetinis laukas linkęs kompensuoti magnetinio srauto pokytį, sukėlusį šią indukcijos srovę (Lenco taisyklė).
Srovė uždaroje grandinėje aplinkinėje erdvėje sukuria magnetinį lauką, kurio indukcija yra proporcinga srovei: AT ~ aš. Todėl magnetinis srautas, sujungtas su grandine, yra proporcingas srovės stiprumui grandinėje Aš:
Ф = LI,
kur L– proporcingumo koeficientas vadinamas saviindukcijos koeficientas arba grandinės induktyvumas.
Jei per grandinę teka srovė, kuri kinta laikui bėgant aš(t), tada keičiasi į grandinę prasiskverbiantis magnetinis srautas. Grandinėje atsiranda saviindukcijos EML:
Kilpos induktyvumas L paprastai priklauso nuo kontūro geometrijos ir terpės magnetinio pralaidumo µ. Jei šie kiekiai nesikeičia, tada L = konst. Tai yra, jei kontūras yra standus ir šalia nėra feromagnetų, tada L = konst.
Apsvarstykite dvi grandines 1 ir 2, esančias tam tikru atstumu viena nuo kitos (4.7 pav.). Jei srovė teka per 1 grandinę aš 1, tada jis sukuria magnetinės indukcijos srautą per 2 grandinę:
F 21 = L 21 aš 1 . (4.17)
Proporcingumo koeficientas L 21 skambutis grandinių tarpusavio induktyvumo koeficientas (grandinių tarpusavio induktyvumas). Tai priklauso nuo 1 ir 2 grandinių formos ir santykinės padėties, taip pat nuo aplinkos magnetinių savybių.
Pasikeitus srovės stipriui pirmoje grandinėje, keičiasi magnetinis srautas per antrąją grandinę; todėl jame sukelia abipusės indukcijos EML:
.
(4.18)
Formulė galioja, jei nėra feromagnetų.
Jei sukeisime 1 ir 2 kontūrus ir pakartosime visus ankstesnius samprotavimus, gausime:
. (4.19)
Abipusės indukcijos koeficientai yra lygūs.
