kategorier: Udvalgte artikler » Begynderelektrikere
Antal visninger: 110313
Kommentarer til artiklen: 4
Induktorer og magnetiske felter
Efter historien om anvendelse af kondensatorer Det ville være logisk at tale om en anden repræsentant for passive radioelementer - induktorer. Men historien om dem bliver nødt til at starte langvejs fra for at huske eksistensen af et magnetfelt, fordi det er magnetfeltet, der omgiver og trænger ind i spolerne, det er i et magnetfelt, der ofte skiftes, at spolerne fungerer. Kort sagt, dette er deres levested.
Magnetisme som egenskab af materie
Magnetisme er en af de vigtigste egenskaber ved materie såvel som for eksempel masse eller elektrisk felt. Fænomenerne magnetisme er imidlertid som elektricitet kendt i lang tid, først da videnskab ikke kunne forklare essensen af disse fænomener. Et uforståeligt fænomen blev kaldt "magnetisme" ved navn Magnesia, som engang var i Lille Asien. Det var fra malm, der blev udvindet i nærheden, at der blev opnået permanente magneter.
Men de permanente magneter inden for rammerne af denne artikel er ikke særlig interessante. Så snart det blev lovet at tale om induktorer, så taler vi sandsynligvis om elektromagnetisme, fordi det er langt fra en hemmelighed, at selv omkring en ledning med strøm er der et magnetfelt.
Under moderne forhold er det ret let at undersøge fænomenet magnetisme på det indledende niveau. For at gøre dette skal du samle et simpelt elektrisk kredsløb fra et batteri og en pære til en lommelygte. Som en indikator for magnetfeltet, dets retning og intensitet, kan du bruge det sædvanlige kompas.
DC magnetfelt
Som du ved viser kompasset retning mod nord. Hvis du placerer ledningerne i det enkleste kredsløb, der er nævnt ovenfor og tænder for lyset, vil kompasnålen afvige noget fra sin normale position.
Ved at tilslutte en anden pære parallelt kan du fordoble strømmen i kredsløbet, hvilket får pilens rotationsvinkel til at stige lidt. Dette antyder, at det magnetiske felt på ledningen med strøm er blevet større. Det er på dette princip, pilens måleinstrumenter fungerer.
Hvis polariteten ved at tænde for batteriet vendes, vil kompasnålen vende sig til den anden ende - magnetfeltets retning i ledningerne ændrede sig også i retning. Når kredsløbet er slukket, vender kompasnålen tilbage til sin retmæssige position. Der er ingen strøm i spolen, og der er ikke noget magnetfelt.
I alle disse eksperimenter spiller kompasset rollen som en testmagnetisk nål, ligesom en undersøgelse af et konstant elektrisk felt udføres af en testelektrisk ladning.
Baseret på sådanne enkle eksperimenter kan vi konkludere, at magnetisme fødes på grund af elektrisk strøm: jo stærkere denne strøm, desto stærkere er magnetiske egenskaber hos lederen. Og hvor kommer magnetfeltet fra de permanente magneter fra, da ingen forbundne batteriet med ledninger til dem?
Grundlæggende videnskabelig forskning har bevist, at permanent magnetisme er baseret på elektriske fænomener: hver elektron er i sit eget elektriske felt og har elementære magnetiske egenskaber. Kun i de fleste stoffer neutraliseres disse egenskaber gensidigt, og af en eller anden grund udgør de en stor magnet.
Naturligvis er alt faktisk ikke så primitivt og enkelt, men generelt har endda permanente magneter deres vidunderlige egenskaber på grund af bevægelsen af elektriske ladninger.
Og hvad slags magnetlinjer er de?
Magnetlinier kan ses visuelt. I skolens erfaring, i fysikundervisning, hældes metalarkivering på et ark pap, og en permanent magnet placeres nedenfor. Ved let at tappe på et ark pap får du billedet vist i figur 1.
Figur 1
Det er let at se, at magnetiske kraftlinjer forlader nordpolen og kommer ind i syd uden at bryde. Naturligvis kan vi sige, at det tværtimod er fra syd til nord, men det er så sædvanligt derfor fra nord til syd. På samme måde som de en gang vedtog retning af strømmen fra plus til minus.
Hvis der i stedet for en permanent magnet føres en strømtråd gennem en pap, så viser metalfilminger den, lederen, det magnetiske felt. Dette magnetiske felt har form af koncentriske cirkulære linjer.
For at studere magnetfeltet kan du undgå savsmuld. Det er tilstrækkeligt at bevæge testmagnetpilen rundt om den aktuelle leder for at se, at de magnetiske kraftlinjer faktisk er lukkede koncentriske cirkler. Hvis vi flytter testpilen til den side, hvor magnetfeltet afbøjer den, vil vi helt sikkert vende tilbage til det samme punkt, hvor bevægelsen begyndte. Tilsvarende som at gå rundt på Jorden: Hvis du går intet sted uden at vende dig, vil du før eller senere komme til det samme sted.
Figur 2
Gimlet-regel
Retningen af magnetfeltet til en leder med strøm bestemmes af reglen for gimlet, et værktøj til at bore huller i et træ. Alt er meget enkelt her: gimleten skal drejes, så dens translationelle bevægelse falder sammen med strømens retning i ledningen, så viser rotationsretningen af håndtaget, hvor magnetfeltet er rettet.
Figur 3
“Strømmen kommer fra os” - korset i midten af cirklen er fjerdraget af en pil, der flyver ud over billedplanet, og hvor “Strømmen kommer mod os”, vises spidsen af pilen, der flyver på grund af arkets plan. I det mindste blev en sådan forklaring af disse betegnelser givet i fysikundervisningen i skolen.
Interaktionen mellem magnetiske felter mellem to ledere og strøm
Figur 4
Hvis vi anvender gimlet-reglen på hver leder, så når vi har bestemt magnetfeltets retning i hver leder, kan vi med tillid sige, at ledere med den samme strømretning tiltrækkes, og deres magnetiske felter tilføjes. Ledere med strømme i forskellige retninger er indbyrdes frastødende, deres magnetiske felt kompenseres.
spole
Hvis lederen med strøm er lavet i form af en ring (spole), har den sine egne magnetiske poler, nord og syd. Men magnetfeltet på en sving er normalt lille. Du kan opnå meget bedre resultater ved at pakke ledningen i form af en spole. En sådan del kaldes en induktor eller blot en induktans. I dette tilfælde tilføjer de individuelle magnetiske felter sig, hvilket gensidigt styrker hinanden.
Figur 5
Figur 5 viser, hvordan man får summen af spolens magnetiske felter. Det ser ud til at være muligt at drive hver tur fra dens kilde, som vist i fig. 5.2, men det er lettere at tilslutte svingene i serie (skal du bare indpakke dem med en ledning).
Det er helt åbenlyst, at jo flere drejninger spolen har, jo stærkere er dets magnetfelt. Magnetfeltet afhænger også af strømmen gennem spolen. Derfor er det legitimt at vurdere en spoles evne til at skabe et magnetfelt ved simpelthen at multiplicere strømmen gennem spolen (A) med antallet af drejninger (W). Denne værdi kaldes ampere-vendinger.
Kernespole
Det magnetiske felt, der genereres af spolen, kan øges markant, hvis en kerne af ferromagnetisk materiale indføres i spolen. Figur 6 viser en tabel med den relative magnetiske permeabilitet af forskellige stoffer.
F.eks. Vil transformerstål gøre magnetfeltet ca. 7,7,5 tusind gange stærkere end i fravær af en kerne. Med andre ord inden i kernen vil magnetfeltet dreje magnetnålen 7.000 gange stærkere (dette kan kun forestilles mentalt).
Figur 6
Paramagnetiske og diamagnetiske stoffer er placeret øverst på bordet. Relativ magnetisk permeabilitet µ er indikeret i forhold til vakuum. Paramagnetiske stoffer forbedrer følgelig magnetfeltet let, mens diamagnetiske stoffer svagere lidt.Generelt har disse stoffer ikke en særlig effekt på magnetfeltet. Skønt messing- eller aluminiumkerner ofte bruges til at justere konturerne ved høje frekvenser.
I bunden af tabellen er ferromagnetiske stoffer, der markant forbedrer spolens magnetfelt med strøm. Så for eksempel vil en kerne lavet af transformerstål gøre magnetfeltet stærkere nøjagtigt 7500 gange.
Hvordan og hvordan man måler magnetfeltet
Når enheder var nødvendige for at måle elektriske mængder, blev elektronladningen taget som reference. En meget reel og endda håndgribelig enhed blev dannet ud fra ladningen af et elektron - et vedhæng, og på grundlag af det viste det sig at være simpelt: ampere, volt, ohm, joule, watt, farad.
Og hvad kan tages som et udgangspunkt for måling af magnetfelter? På en eller anden måde fastgøres til elektronets magnetfelt er meget problematisk. Derfor adopteres en leder som en måleenhed i magnetisme, gennem hvilken en jævnstrøm på 1 A strømmer.
Magnetfeltegenskaber
Den vigtigste sådan egenskab er spænding (H). Det viser med hvilken kraft magnetfeltet virker på den ovenfor nævnte testleder, hvis det sker i et vakuum. Vakuumet er beregnet til at udelukke påvirkning af miljøet, derfor er denne egenskab - spænding betragtes som absolut ren. Ampere pr. Meter (a / m) betragtes som spændingsenheden. En sådan spænding vises i en afstand af 16 cm fra lederen, langs hvilken 1A strøm flyder.
Feltstyrken taler kun om magnetfeltets teoretiske evne. Den reelle handlingsevne afspejler en anden værdi af magnetisk induktion (B). Det er hun, der viser den virkelige kraft, som magnetfeltet virker på en leder med en strøm på 1A.
Figur 7
Hvis en strøm på 1A strømmer i en leder, der er 1 m lang, og den skubbes ud (tiltrukket) med en kraft på 1 N (102 G), siger de, at størrelsen på den magnetiske induktion på dette tidspunkt er nøjagtigt 1 Tesla.
Magnetisk induktion er en vektormængde, ud over den numeriske værdi har den også en retning, der altid falder sammen med retningen af den testmagnetiske nål i det magnetiske felt, der undersøges.
Figur 8
Enheden med magnetisk induktion er Tesla (TL), skønt i praksis ofte bruges en mindre Gauss-enhed: 1TL = 10.000 G. Er det meget eller lidt? Magnetfeltet i nærheden af en stærk magnet kan nå flere T, nær kompassens magnetiske nål højst 100 G, Jordens magnetfelt nær overfladen er ca. 0,01 G eller endda lavere.
Magnetisk flux
Den magnetiske induktionsvektor B karakteriserer magnetfeltet kun på et punkt i rummet. For at evaluere effekten af et magnetfelt i et bestemt rum introduceres et andet koncept, såsom magnetisk flux (Φ).
Faktisk repræsenterer det antallet af linjer med magnetisk induktion, der passerer gennem et givet rum, gennem et vist område: Φ = B * S * cosα. Dette billede kan repræsenteres i form af regndråber: en linje er en dråbe (B), og sammen er det magnetisk flux Φ. Dette er, hvordan magtmagnetiske linier fra individuelle spolevendinger er forbundet til en fælles strøm.
Figur 9
I SI-systemet tages Weber (Wb) som enheden for magnetisk flux, en sådan flux opstår, når en induktion på 1 T virker på et areal på 1 kvm.
Magnetisk kredsløb
Magnetfluxen i forskellige enheder (motorer, transformere osv.) Passerer som regel på en bestemt måde, kaldet et magnetisk kredsløb eller blot et magnetisk kredsløb. Hvis magnetkredsløbet er lukket (kernen i ringtransformatoren), er dens modstand lille, den magnetiske flux passerer uhindret, koncentreres inde i kernen. Figuren herunder viser eksempler på spoler med lukkede og åbne magnetiske kredsløb.
Figur 10
Modstand mod magnetisk kredsløb
Men kernen kan skæres, og et stykke kan trækkes ud af den for at skabe en magnetisk spalte. Dette vil forøge den samlede magnetiske modstand i kredsløbet, derfor reducere magnetisk flux og generelt reducere induktionen i hele kernen.Det er det samme som at lodde en masse modstand i et elektrisk kredsløb.
Figur 11
Hvis den resulterende spalte blokeres med et stykke stål, viser det sig, at en yderligere sektion med en lavere magnetisk modstand blev forbundet parallelt med spalten, hvilket ville gendanne den forstyrrede magnetflux. Dette ligner meget en shunt i elektriske kredsløb. Der findes forresten også en lov for magnetkredsløbet, der kaldes Ohms lov for magnetkredsløbet.
Figur 12
Hoveddelen af den magnetiske flux vil gå gennem den magnetiske shunt. Det er dette fænomen, der bruges til magnetisk optagelse af lyd- eller videosignaler: det ferromagnetiske lag på båndet dækker afstanden i kernen i magnethovederne, og hele magnetfluxen lukkes gennem båndet.
Retningen på den magnetiske flux, der genereres af spolen, kan bestemmes ved hjælp af højre-reglen: hvis fire udstrakte fingre angiver strømretningen i spolen, viser tommelfingeren magnetlinjernes retning, som vist i figur 13.
Figur 13
Det antages, at magnetiske linjer forlader nordpolen og går ind i syd. Derfor angiver tommelfingeren i dette tilfælde placeringen af sydpolen. Kontroller, om dette er tilfældet, du kan igen bruge kompasnålen.
Sådan fungerer den elektriske motor
Det er kendt, at elektricitet kan skabe lys og varme, deltage i elektrokemiske processer. Når du har kendt det grundlæggende i magnetisme, kan du tale om, hvordan elektriske motorer fungerer.
Elektriske motorer kan have et meget forskelligt design, kraft og driftsprincip: for eksempel lige og vekselstrøm, trin eller opsamler. Men med alle de forskellige design, er driftsprincippet baseret på samspillet mellem magnetfelterne i rotoren og statoren.
For at få disse magnetiske felter ledes strøm gennem viklingerne. Jo større strøm, og jo højere magnetisk induktion af et eksternt magnetfelt, desto kraftigere er motoren. Magnetiske kerner bruges til at styrke dette felt, så der er så mange ståldele i elektriske motorer. Nogle DC-motormodeller bruger permanente magneter.
Figur 14
Her kan du sige, alt er klart og enkelt: De passerede en strøm gennem ledningen og modtog et magnetfelt. Interaktion med et andet magnetfelt får denne leder til at bevæge sig og endda udføre mekanisk arbejde.
Rotationsretningen kan bestemmes ved hjælp af venstre hånd. Hvis fire udstrakte fingre angiver strømens retning i lederen, og de magnetiske linier kommer ind i håndfladen, vil den bøjede tommelfinger indikere lederens udkastningsretning i et magnetfelt.
Fortsat: Induktorer og magnetiske felter. Del 2. Elektromagnetisk induktion og induktans
Se også på elektrohomepro.com
: