Σχετικά με το μαγνητικό πεδίο, τις ηλεκτρομαγνήτες και τους ηλεκτρομαγνήτες

Μαγνητικό πεδίο ηλεκτρικού ρεύματος

Το μαγνητικό πεδίο δεν δημιουργείται μόνο από φυσικό ή τεχνητό μόνιμοι μαγνήτες, αλλά και αγωγό αν διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα. Επομένως, υπάρχει μια σύνδεση μεταξύ μαγνητικών και ηλεκτρικών φαινομένων.

Δεν είναι δύσκολο να βεβαιωθείτε ότι σχηματίζεται ένα μαγνητικό πεδίο γύρω από το σύρμα μέσω του οποίου ρέει το ρεύμα. Τοποθετήστε ένα ίσιο καλώδιο πάνω από την κινητή μαγνητική βελόνα παράλληλα με αυτήν και περάστε ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από αυτήν. Το βέλος θα πάρει μια θέση κάθετη στο σύρμα.

Ποιες δυνάμεις θα μπορούσαν να προκαλέσουν την περιστροφή της μαγνητικής βελόνας; Προφανώς, η ισχύς του μαγνητικού πεδίου που δημιουργείται γύρω από το σύρμα. Κλείστε το ρεύμα και η μαγνητική βελόνα θα επιστρέψει στην κανονική της θέση. Αυτό υποδηλώνει ότι όταν το ρεύμα είναι απενεργοποιημένο, το μαγνητικό πεδίο του καλωδίου εξαφανίζεται επίσης.

Έτσι, το ηλεκτρικό ρεύμα που διέρχεται από το καλώδιο δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο. Για να μάθετε ποια κατεύθυνση θα εκτραπεί η μαγνητική βελόνα, εφαρμόστε τον κανόνα του δεξιού χεριού.Εάν τοποθετήσετε το δεξί σας χέρι στο σύρμα, με την παλάμη προς τα κάτω, έτσι ώστε η κατεύθυνση του ρεύματος να συμπίπτει με την κατεύθυνση των δακτύλων, τότε ο λυγισμένος αντίχειρας θα δείξει την κατεύθυνση εκτροπής του βόρειου πόλου της μαγνητικής βελόνας που βρίσκεται κάτω από το σύρμα . Χρησιμοποιώντας αυτόν τον κανόνα και γνωρίζοντας την πολικότητα του βέλους, μπορείτε επίσης να προσδιορίσετε την κατεύθυνση του ρεύματος στο καλώδιο.

Ένα ευθύγραμμο συρμάτινο πυριγενές πεδίο έχει το σχήμα ομόκεντρων κύκλων. Εάν τοποθετήσετε το δεξί σας χέρι στο σύρμα, με την παλάμη προς τα κάτω, έτσι ώστε το ρεύμα να ρέει από τα δάχτυλα, τότε ο λυγισμένος αντίχειρας θα δείχνει προς τον βόρειο πόλο της μαγνητικής βελόνας.Ένα τέτοιο πεδίο ονομάζεται κυκλικό μαγνητικό πεδίο.

Η κατεύθυνση των γραμμών δύναμης του κυκλικού πεδίου εξαρτάται από κατευθύνσεις ηλεκτρικού ρεύματος στον αγωγό και καθορίζεται από τον λεγόμενο κανόνα αντίζυγο. Εάν το αντίζυγο είναι διανοητικά στριμμένο προς την κατεύθυνση του ρεύματος, τότε η φορά περιστροφής της λαβής του θα συμπίπτει με την κατεύθυνση των γραμμών του μαγνητικού πεδίου του πεδίου. Εφαρμόζοντας αυτόν τον κανόνα, μπορείτε να μάθετε την κατεύθυνση του ρεύματος στο καλώδιο εάν γνωρίζετε την κατεύθυνση των γραμμών πεδίου του πεδίου που δημιουργούνται από αυτό το ρεύμα.

Επιστρέφοντας στο πείραμα της μαγνητικής βελόνας, μπορείτε να βεβαιωθείτε ότι είναι πάντα τοποθετημένη με το βόρειο άκρο της προς την κατεύθυνση των γραμμών του μαγνητικού πεδίου.

Έτσι, ένα μαγνητικό πεδίο δημιουργείται γύρω από ένα ευθύ σύρμα από το οποίο διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα. Έχει σχήμα ομόκεντρων κύκλων και ονομάζεται κυκλικό μαγνητικό πεδίο.

Σόλες κλπ. Μαγνητικό πεδίο σωληνοειδούς

Ένα μαγνητικό πεδίο δημιουργείται γύρω από οποιοδήποτε καλώδιο, ανεξάρτητα από το σχήμα του, με την προϋπόθεση ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσα από το καλώδιο.

V ηλεκτρολόγων μηχανικών ασχολούμαστε διαφορετικών τύπων πηνίωνπου αποτελείται από έναν αριθμό στροφών.Για να διερευνήσουμε το μαγνητικό πεδίο του πηνίου που μας ενδιαφέρει, ας εξετάσουμε πρώτα τι σχήμα έχει το μαγνητικό πεδίο μιας στροφής.

Φανταστείτε ένα πηνίο από χοντρό σύρμα να περνά μέσα από ένα κομμάτι χαρτόνι και να συνδέεται με μια πηγή ρεύματος. Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από το πηνίο, σχηματίζεται ένα κυκλικό μαγνητικό πεδίο γύρω από κάθε μεμονωμένο τμήμα του πηνίου. Σύμφωνα με τον κανόνα «gimbal», είναι εύκολο να προσδιοριστεί ότι οι γραμμές μαγνητικού πεδίου μέσα στον βρόχο έχουν την ίδια κατεύθυνση (προς εμάς ή μακριά από εμάς, ανάλογα με την κατεύθυνση του ρεύματος στον βρόχο) και εξέρχονται από τη μία πλευρά. του βρόχου και μπείτε από την άλλη πλευρά Μια σειρά τέτοιων πηνίων, σε μορφή σπείρας, είναι η λεγόμενη ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα (πηνίο).

Ένα μαγνητικό πεδίο σχηματίζεται γύρω από την ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα όταν το ρεύμα διέρχεται από αυτό. Λαμβάνεται ως αποτέλεσμα της προσθήκης των μαγνητικών πεδίων κάθε στροφής και σε σχήμα μοιάζει με το μαγνητικό πεδίο ενός ευθύγραμμου μαγνήτη. Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας, όπως συμβαίνει με έναν ευθύγραμμο μαγνήτη, αφήνουν το ένα άκρο της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας και επιστρέφουν στο άλλο. Μέσα στην ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα έχουν την ίδια κατεύθυνση. Έτσι, τα άκρα της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας είναι πολωμένα. Το άκρο από το οποίο εξέρχονται οι γραμμές ηλεκτρικής ενέργειας είναι ο Βόρειος Πόλος της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας και το άκρο όπου εισέρχονται τα καλώδια είναι ο Νότιος Πόλος της.

Οι σωληνοειδείς πόλοι μπορούν να προσδιοριστούν από τον κανόνα του δεξιού χεριού, αλλά για αυτό πρέπει να γνωρίζετε την κατεύθυνση του ρεύματος στις στροφές του. Εάν τοποθετήσετε το δεξί σας χέρι στην ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, με την παλάμη προς τα κάτω, έτσι ώστε το ρεύμα να ρέει από τα δάχτυλα, τότε ο λυγισμένος αντίχειρας θα δείχνει προς τον βόρειο πόλο της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας... Από αυτόν τον κανόνα προκύπτει ότι η πολικότητα της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας εξαρτάται στην κατεύθυνση του ρεύματος σε αυτό.Αυτό είναι εύκολο να ελεγχθεί στην πράξη φέρνοντας μια μαγνητική βελόνα σε έναν από τους πόλους της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας και στη συνέχεια αλλάζοντας την κατεύθυνση του ρεύματος στην ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα. Το βέλος θα περιστραφεί αμέσως 180 °, δηλαδή, θα δείξει ότι οι πόλοι της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας έχουν αλλάξει.

Η ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα έχει την ικανότητα να τραβάει τους πνεύμονες.αντικείμενα. Εάν τοποθετηθεί μια χαλύβδινη ράβδος μέσα στην ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, υπό την επίδραση του μαγνητικού πεδίου της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας, η ράβδος θα μαγνητιστεί. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται στην παραγωγή μόνιμοι μαγνήτες.

Ηλεκτρομαγνήτες

Ηλεκτρομαγνήτης είναι ένα πηνίο (σωληνοειδές) με ένα σιδερένιο πυρήνα τοποθετημένο μέσα του. Τα σχήματα και τα μεγέθη των ηλεκτρομαγνητών είναι διαφορετικά, αλλά η γενική δομή όλων τους είναι η ίδια.

Το πηνίο ενός ηλεκτρομαγνήτη είναι ένα πλαίσιο κατασκευασμένο συνήθως από πιεστήριο ή ίνα και έχει διαφορετικά σχήματα ανάλογα με τον σκοπό του ηλεκτρομαγνήτη. Ένα σύρμα με μόνωση χαλκού τυλίγεται στο πλαίσιο σε πολλά στρώματα - το πηνίο του ηλεκτρομαγνήτη. Έχει διαφορετικό αριθμό στροφών και είναι κατασκευασμένο από σύρμα διαφορετικών διαμέτρων, ανάλογα με τον σκοπό του ηλεκτρομαγνήτη.

Για την προστασία της μόνωσης του πηνίου από μηχανικές βλάβες, το πηνίο καλύπτεται με ένα ή περισσότερα στρώματα χαρτιού ή άλλου μονωτικού υλικού. Η αρχή και το τέλος της περιέλιξης εξάγονται και συνδέονται με τους ακροδέκτες εξόδου που είναι στερεωμένοι στο πλαίσιο ή σε εύκαμπτα καλώδια με αυτιά στα άκρα.

Το πηνίο του ηλεκτρομαγνήτη είναι τοποθετημένο σε έναν πυρήνα κατασκευασμένο από μαλακό, ανόπτηση σιδήρου ή κράματα σιδήρου με πυρίτιο, νικέλιο κ.λπ. Αυτό το σίδερο έχει τα λιγότερα υπολείμματα μαγνητισμός... Οι πυρήνες κατασκευάζονται τις περισσότερες φορές από λεπτά φύλλα, μονωμένα μεταξύ τους.Τα σχήματα του πυρήνα μπορεί να είναι διαφορετικά, ανάλογα με τον σκοπό του ηλεκτρομαγνήτη.

Εάν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από το πηνίο ενός ηλεκτρομαγνήτη, τότε σχηματίζεται ένα μαγνητικό πεδίο γύρω από το πηνίο, το οποίο μαγνητίζει τον πυρήνα. Δεδομένου ότι ο πυρήνας είναι κατασκευασμένος από μαλακό σίδηρο, θα μαγνητιστεί αμέσως. Εάν στη συνέχεια απενεργοποιήσετε το ρεύμα, οι μαγνητικές ιδιότητες του πυρήνα θα εξαφανιστούν γρήγορα και θα πάψει να είναι μαγνήτης. Οι πόλοι ενός ηλεκτρομαγνήτη, όπως ένα σωληνοειδές, καθορίζονται από τον κανόνα του δεξιού χεριού. Αν στο πηνίο του ηλεκτρομαγνήτη andgmEat τρέχουσα κατεύθυνση, τότε η πολικότητα του ηλεκτρομαγνήτη θα αλλάξει ανάλογα.

Η δράση ενός ηλεκτρομαγνήτη είναι παρόμοια με αυτή ενός μόνιμου μαγνήτη. Ωστόσο, υπάρχει μεγάλη διαφορά μεταξύ των δύο. Ένας μόνιμος μαγνήτης είναι πάντα μαγνητικός και ένας ηλεκτρομαγνήτης - μόνο όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από το πηνίο του.

Επιπλέον, η δύναμη έλξης του μόνιμου μαγνήτη είναι αμετάβλητη, αφού η μαγνητική ροή ενός μόνιμου μαγνήτη είναι αμετάβλητη. Η δύναμη έλξης ενός ηλεκτρομαγνήτη δεν είναι σταθερή Ο ίδιος ηλεκτρομαγνήτης μπορεί να έχει διαφορετική βαρύτητα. Η δύναμη έλξης οποιουδήποτε μαγνήτη εξαρτάται από το μέγεθος της μαγνητικής ροής του.

Η έλξη ενός ηλεκτρομαγνήτη λάσπης και επομένως η μαγνητική του ροή εξαρτάται από το μέγεθος του ρεύματος που διέρχεται από το πηνίο αυτού του ηλεκτρομαγνήτη. Όσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα, τόσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη έλξης του ηλεκτρομαγνήτη και, αντίθετα, όσο μικρότερο είναι το ρεύμα στο πηνίο του ηλεκτρομαγνήτη, τόσο λιγότερη δύναμη έλκει μαγνητικά σώματα στον εαυτό του.

Αλλά για ηλεκτρομαγνήτες διαφορετικού σχεδιασμού και μεγέθους, η δύναμη της έλξης τους δεν εξαρτάται μόνο από το μέγεθος του ρεύματος στο πηνίο.Αν, για παράδειγμα, πάρουμε δύο ηλεκτρομαγνήτες ίδιας συσκευής και μεγέθους, αλλά ο ένας με μικρό αριθμό πηνίων και ο άλλος με πολύ μεγαλύτερο αριθμό, τότε είναι εύκολο να δούμε ότι στο ίδιο ρεύμα η δύναμη έλξης το τελευταίο θα είναι πολύ μεγαλύτερο. Πράγματι, όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των πηνίων, τόσο μεγαλύτερο, σε ένα δεδομένο ρεύμα, το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται γύρω από αυτό το πηνίο, αφού αποτελείται από τα μαγνητικά πεδία κάθε στροφής. Αυτό σημαίνει ότι η μαγνητική ροή του ηλεκτρομαγνήτη και, κατά συνέπεια, η δύναμη της έλξης του θα είναι μεγαλύτερη, τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των στροφών του πηνίου.

Υπάρχει ένας άλλος λόγος που επηρεάζει το μέγεθος της μαγνητικής ροής ενός ηλεκτρομαγνήτη. Αυτή είναι η ποιότητα του μαγνητικού του κυκλώματος. Ένα μαγνητικό κύκλωμα είναι η διαδρομή κατά την οποία κλείνει η μαγνητική ροή. Το μαγνητικό κύκλωμα έχει μια ορισμένη μαγνητική αντίσταση... Η μαγνητική αντίσταση εξαρτάται από τη μαγνητική διαπερατότητα του μέσου από το οποίο διέρχεται η μαγνητική ροή. Όσο μεγαλύτερη είναι η μαγνητική διαπερατότητα αυτού του μέσου, τόσο μικρότερη είναι η μαγνητική του αντίσταση.

Δεδομένου ότι η μαγνητική διαπερατότητα των σιδηρομαγνητικών σωμάτων (σίδηρος, χάλυβας) είναι πολλές φορές μεγαλύτερη από τη μαγνητική διαπερατότητα του αέρα, επομένως είναι πιο κερδοφόρο να φτιάχνουμε ηλεκτρομαγνήτες έτσι ώστε το μαγνητικό τους κύκλωμα να μην περιέχει τμήματα αέρα. Το γινόμενο της ισχύος του ρεύματος και του αριθμού των στροφών του πηνίου του ηλεκτρομαγνήτη ονομάζεται μαγνητοκινητική δύναμη... Η μαγνητοκινητική δύναμη μετριέται με τον αριθμό των στροφών του αμπέρ.

Για παράδειγμα, ένα ρεύμα 50 mA ρέει μέσα από το πηνίο ενός ηλεκτρομαγνήτη με 1200 στροφές. Μαγνητοκινητική δύναμη ενός τέτοιου ηλεκτρομαγνήτη ίση με 0,05 NS 1200 = 60 αμπέρ.

Η δράση της μαγνητοκινητικής δύναμης είναι παρόμοια με τη δράση της ηλεκτροκινητικής δύναμης σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Ακριβώς όπως το EMF είναι η αιτία του ηλεκτρικού ρεύματος, η μαγνητοκινητική δύναμη δημιουργεί μαγνητική ροή σε έναν ηλεκτρομαγνήτη. Όπως σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, καθώς αυξάνεται το EMF, αυξάνεται η τιμή του ρεύματος, έτσι και σε ένα μαγνητικό κύκλωμα, καθώς αυξάνεται η μαγνητοκινητική δύναμη, αυξάνεται η μαγνητική ροή.

Δράση μαγνητικής αντίστασης παρόμοια με τη δράση της αντίστασης ηλεκτρικού κυκλώματος. Όπως όταν αυξάνεται η αντίσταση ενός ηλεκτρικού κυκλώματος, το ρεύμα μειώνεται, έτσι και σε ένα μαγνητικό κύκλωμα, η αύξηση της μαγνητικής αντίστασης προκαλεί μείωση της μαγνητικής ροής.

Η εξάρτηση της μαγνητικής ροής ενός ηλεκτρομαγνήτη από τη μαγνητοκινητική δύναμη και τη μαγνητική του αντίσταση μπορεί να εκφραστεί με έναν τύπο παρόμοιο με τον τύπο του νόμου του Ohm: μαγνητοκινητική δύναμη = (μαγνητική ροή / απροθυμία)

Η μαγνητική ροή είναι ίση με τη μαγνητοκινητική δύναμη διαιρούμενη με την απροθυμία.

Ο αριθμός των στροφών του πηνίου και η μαγνητική αντίσταση για κάθε ηλεκτρομαγνήτη είναι μια σταθερή τιμή. Επομένως, η μαγνητική ροή ενός δεδομένου ηλεκτρομαγνήτη αλλάζει μόνο με μια αλλαγή στο ρεύμα που ρέει μέσω του πηνίου. Δεδομένου ότι η δύναμη έλξης ενός ηλεκτρομαγνήτη καθορίζεται από τη μαγνητική του ροή, για να αυξηθεί (ή να μειωθεί) η δύναμη έλξης ενός ηλεκτρομαγνήτη, είναι απαραίτητο να αυξηθεί (ή να μειωθεί) το ρεύμα στο πηνίο του ανάλογα.

Πολωμένος ηλεκτρομαγνήτης

Ένας πολωμένος ηλεκτρομαγνήτης είναι η σύζευξη ενός μόνιμου μαγνήτη με έναν ηλεκτρομαγνήτη. Είναι διατεταγμένο με αυτόν τον τρόπο.Οι λεγόμενες προεκτάσεις των πόλων από μαλακό σίδηρο συνδέονται με τους πόλους του μόνιμου μαγνήτη.Κάθε πόλος χρησιμεύει ως ηλεκτρομαγνητικός πυρήνας και πάνω του τοποθετείται ένα πηνίο με πηνίο. Και τα δύο πηνία συνδέονται σε σειρά.

Δεδομένου ότι οι προεκτάσεις των πόλων συνδέονται απευθείας με τους πόλους ενός μόνιμου μαγνήτη, έχουν μαγνητικές ιδιότητες ακόμη και απουσία ρεύματος στα πηνία. Ταυτόχρονα, η δύναμη έλξης τους είναι αμετάβλητη και καθορίζεται από τη μαγνητική ροή ενός μόνιμου μαγνήτη.

Η δράση ενός πολωμένου ηλεκτρομαγνήτη είναι ότι καθώς το ρεύμα ρέει μέσα από τα πηνία του, η δύναμη έλξης των πόλων του αυξάνεται ή μειώνεται ανάλογα με το μέγεθος και την κατεύθυνση του ρεύματος στα πηνία. Αυτή η ιδιότητα ενός πολωμένου ηλεκτρομαγνήτη βασίζεται στη δράση ηλεκτρομαγνητικό πολωμένο ρελέ και άλλες ηλεκτρικές συσκευές.

Η δράση ενός μαγνητικού πεδίου σε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα

Εάν ένα σύρμα τοποθετηθεί σε ένα μαγνητικό πεδίο έτσι ώστε να είναι κάθετο στις γραμμές του πεδίου, και ένα ηλεκτρικό ρεύμα περάσει από αυτό το καλώδιο, το καλώδιο θα αρχίσει να κινείται και να ωθείται από το μαγνητικό πεδίο.

Ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης του μαγνητικού πεδίου με το ηλεκτρικό ρεύμα, ο αγωγός αρχίζει να κινείται, δηλαδή η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια.

Η δύναμη με την οποία το σύρμα απωθείται από το μαγνητικό πεδίο εξαρτάται από το μέγεθος της μαγνητικής ροής του μαγνήτη, το ρεύμα στο σύρμα και το μήκος αυτού του τμήματος του σύρματος που διασχίζουν οι γραμμές δύναμης. Η κατεύθυνση δράσης αυτής της δύναμης, δηλαδή η κατεύθυνση κίνησης του αγωγού, εξαρτάται από την κατεύθυνση του ρεύματος στον αγωγό και καθορίζεται από τον κανόνα της αριστερής πλευράς.

Εάν κρατάτε την παλάμη του αριστερού σας χεριού έτσι ώστε οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου να εισέλθουν σε αυτήν και τα εκτεταμένα τέσσερα δάχτυλα στρέφονται προς την κατεύθυνση του ρεύματος στον αγωγό, τότε ο λυγισμένος αντίχειρας θα υποδεικνύει την κατεύθυνση κίνησης του αγωγού ... Κατά την εφαρμογή αυτού του κανόνα, πρέπει να θυμάστε ότι οι γραμμές πεδίου εκτείνονται από τον βόρειο πόλο του μαγνήτη.