Про магнітне поле, соленоїди і електромагніти

Магнітне поле електричного струму

Магнітне поле створюється не тільки природними або штучними постійними магнітами, але і провідником, якщо по ньому проходить електричний струм. Отже, існує зв`язок між магнітними й електронними явищами.

Переконатися в тому, що навколо провідника, по якому проходить струм, з`являється магнітне поле, нескладно. Над рухомий магнітною стрілкою паралельно їй розташуйте прямолінійний провідник і пропустіть через нього електричний струм. Стрілка займе положення, перпендикулярне провіднику.

Які ж сили могли змусити обернутися магнітну стрілку? Зрозуміло, сили магнітного поля, що з`явився навколо провідника. Вимкніть струм, і магнітна стрілка займе своє звичайне положення. Це свідчить про те, що із завершенням роботи струму пропало і магнітне поле провідника.

Таким чином, проходить по провіднику електричний струм робить магнітне поле. Щоб з`ясувати, в який бік відхилиться магнітна стрілка, використовують правило правої руки. Якщо розташувати над провідником праву руку долонею вниз так, щоб напрямок струму збігалося з напрямком пальців, то відігнутий великий палець покаже напрям відмінності північного полюса магнітної стрілки, вміщеній під провідником. Користуючись цим правилом і знаючи полярність стрілки, можна знайти також напрямок струму в провіднику.

Магнітне поле провідника має форму концентричних кіл. Якщо розташувати над провідником праву руку долонею вниз так, щоб струм начебто виходив з пальців, то відігнутий великий палець вкаже на північний полюс магнітної стрілки. Таке поле називається радіальним магнітним полем.

Напрямок силових ліній радіального поля знаходиться в залежності від напрямку електричного струму в провіднику і визначається так званим правилом «гвинта». Якщо буравчик образно угвинчувати у напрямку струму, то напрямок обертання його руки буде збігатися з напрямком магнітних силових ліній поля. Застосовуючи це правило, можна з`ясувати напрямок струму в провіднику, якщо зрозуміло напрямок силових ліній поля, зробленого цим струмом.

Повертаючись до досвіду з магнітною стрілкою, можна переконатися в тому, що вона завжди розміщується своїм північним кінцем у напрямку силових ліній магнітного поля.

Отже, навколо провідника, по якому проходить електричний струм, з`являється магнітне поле. Воно має форму концентричних кіл і називається радіальним магнітним полем.

Соленоїд. Магнітне поле соленоїда

Магнітне поле з`являється навколо будь-якого провідника незалежно від його форми за умови, що по провіднику проходить електричний струм.

В електротехніці ми маємо справу з різного роду котушками, що складаються з ряду витків. Для дослідження даного нас магнітного поля котушки разсмотрім спочатку, яку форму має магнітне поле 1-го витка.

Уявімо собі виток товстого дроту, що пронизує лист картону і приєднаний до джерела струму. Коли через виток проходить електричний струм, то навколо кожної окремої частини витка з`являється радіальне магнітне поле. За правилом «гвинта» нескладно знайти, що магнітні силові лінії всередині витка мають однакове напрямок (до нас або від нас, залежно від напрямку струму в витку), при цьому вони виходять з одного боку витка і входять в іншу сторону. Ряд таких витків, що має форму спіралі, являє собою так званий соленоїд (котушку).

Навколо соленоїда, при проходженні через нього струму, з`являється магнітне поле. Воно виходить в результаті складання магнітних полів кожного витка і за формою нагадує магнітне поле прямолінійного магніту. Силові лінії магнітного поля соленоїда, так само як і в прямолінійній магніті, виходять з 1-го кінця соленоїда і входять в інший. Усередині соленоїда вони мають однакове напрямок. Таким чином, кінці соленоїда володіють полярністю. Той кінець, з якого виходять силові лінії, є північним полюсом соленоїда, а кінець, в який силові лінії входять, - його південним полюсом.

Полюса соленоїда можна знайти за правилом правої руки, але для цього потрібно знати напрямок струму в його витках. Якщо накласти на соленоїд праву руку долонею вниз, так щоб струм начебто виходив з пальців, то відігнутий великий палець вкаже на північний полюс соленоїда. З цього правила випливає, що полярність соленоїда знаходиться в залежності від напрямку струму в ньому. У цьому неважко переконатися фактично, піднісши до одного з полюсів соленоїда магнітну стрілку і потім змінивши напрямок струму в соленоїді. Стрілка миттю повернеться на 180 °, т. Е. Вкаже на те, що полюси соленоїда помінялися.

Соленоїд має властивість втягувати в себе легкі залізні предмети. Якщо всередину соленоїда помістити металевої брусок, то через деякий час під дією магнітного поля соленоїда брусок намагнітиться. Цей метод використовують при виготовленні постійних магнітів.

електромагніти

Електромагніт є котушку (соленоїд) з поміщеним усередину неї сталевим сердечником. Форми і розміри електромагнітів різноманітні, але загальна будова їх всіх ідентично.

Котушка електромагніта є каркас, зроблений в більшості випадків з прессшпана або фібри і має різні форми в залежності від призначення електромагніту. На каркас намотана в декілька шарів мідна ізольована дріт - обмотка електромагніту. Вона має різне число витків і виготовляється з дроту різного перетину, в залежності від призначення електромагніту.

Для запобігання ізоляції обмотки від механічних пошкоджень обмотку покривають одним або кількома шарами паперу або будь-яким іншим ізолюючим матеріалом. Початок і кінець обмотки виводять назовні і приєднують до вивідних клем, укріпленим на каркасі, або до гнучких провідників з наконечниками на кінцях.

Котушка електромагніта надіта на сердечник з м`якого, відпаленого заліза або сплавів заліза з кремнієм, нікелем і т. Д. Таке залізо володіє мінімальним залишковим магнетизмом. Сердечники в більшості випадків роблять складовими з тонких листів, ізольованих один від одного. Форми сердечників можуть бути різними, залежно від призначення електромагніту.

Якщо по обмотці електромагніту пропустити електричний струм, то навколо обмотки з`являється магнітне поле, яке намагнічує сердечник. Так як сердечник виготовлений з м`якого заліза, то він намагнітиться моментально. Якщо потім вимкнути струм, то магнітні властивості сердечника також швидко пропадуть, і він перестане бути магнітом. Полюси електромагніту, як і соленоїда, визначаються за правилом правої руки. Якщо в обмотці електромагніту змінити напрямок струму, то відповідно до цього зміниться і полярність електромагніту.

Дія електромагніту подібна до дії постійного магніту. Але між ними є велика різниця. Постійний магніт завжди має магнітні властивості, а електромагніт - тільки тоді, коли по його обмотці проходить електричний струм.

Крім цього, сила тяжіння постійного магніту незмінна, тому що незмінний магнітний потік постійного магніту. Сила ж тяжіння електромагніту не є величиною незмінною. Один і той же електромагніт може володіти різною силою тяжіння. Сила тяжіння будь-якого магніту залежить від величини його магнітного потоку.

Сила тяжіння електромагніту, а як слід, і його магнітний потік залежать від величини струму, що проходить через обмотку цього електромагніту. Чим більше струм, тим більше сила тяжіння електромагніту, і, навпаки, чим менше струм в обмотці електромагніту, тим з меншою силою він притягує до себе магнітні тіла.

Але для різних за власним влаштуванню і розмірам електромагнітів сила їх тяжіння залежить не тільки від величини струму в обмотці. Якщо, наприклад, взяти два електромагніту схожого пристрою і розмірів, але один з невеликою кількістю витків обмотки, а інший - з великим, то нескладно переконатися, що при одному і тому ж струмі сила тяжіння останнього буде ще більше. Правда, чим більше число витків обмотки, тим більше при даному струмі створюється навколо цієї обмотки магнітне поле, тому що воно складається з магнітних полів кожного витка. Це означає, що магнітний потік електромагніту, а як слід, і сила його тяжіння будуть тим більше, чим більша кількість витків має обмотка.

Ще є одна причина, що впливає на величину магнітного потоку електромагніту це - якість його магнітного ланцюга. Магнітної ланцюгом називається шлях, по якому замикається магнітний потік. Магнітна ланцюг має певний магнітним опором. Магнітний опір знаходиться в залежності від магнітної проникності середовища, через яку проходить магнітний потік. Чим більше магнітна проникність цього середовища, тим менше її магнітне опір.

Так як магнітна проникність феромагнітних тіл (заліза, сталі) у багато разів більше магнітної проникності повітря, тому необхідно робити електромагніти так, щоб їх магнітна ланцюг не містила в собі повітряних ділянок. Твір сили струму на число витків обмотки електромагніту іменується магніторушійної силою. Магніторушійна сила вимірюється числом ампер-витків.

Наприклад, по обмотці електромагніту, що має 1200 витків, проходить струм силою 50 ма. Магніторушійна сила такого електромагніту дорівнює 0,05 х 1200 = 60 ампер-витків.

Дія магніторушійної сили аналогічно дії електрорушійної сили в електронній ланцюга. Подібно до того як ЕРС є передумовою появи електричного струму, магнитодвижущая сила робить магнітний потік в електромагніт. Точно так же, як в електронній ланцюга з підвищенням ЕРС зростає струм в цінуй, так і в магнітному колі з підвищенням магніторушійної сили зростає магнітний потік.

Дія магнітного опору аналогічно дії електричного опору ланцюга. Як з підвищенням опору електронної ланцюга зменшується струм, так і в магнітному колі підвищення магнітного опору викликає зменшення магнітного потоку.

Залежність магнітного потоку електромагніту від магніторушійної сили і його магнітного опору можна виразити формулою, аналогічною формулою закону Ома: магнитодвижущая сила = (магнітний потік / магнітний опір)

Магнітний потік дорівнює магніторушійної силі, поділеній на магнітний опір.

Число витків обмотки і магнітне опір для кожного електромагніту є незмінною. Тому магнітний потік даного електромагніту змінюється тільки зі зміною струму, що проходить по обмотці. Тому що сила тяжіння електромагніту обумовлюється його магнітним потоком, то, щоб збільшити (або зменшити) силу тяжіння електромагніту, потрібно відповідно збільшити (або зменшити) струм в його обмотці.

поляризований електромагніт

Поляризований електромагніт є з`єднанням постійного магніту з електромагнітом. Він влаштований таким чином. До полюсів постійного магніту прикріплені так звані полюсні надставки з м`якого заліза. Будь-яка полюсна надставка служить сердечником електромагніта, на неї насаджується котушка з обмоткою. Обидві обмотки з`єднуються між собою по черзі.

Так як полюсні надставки конкретно приєднані до полюсів постійного магніту, то вони володіють магнітними властивостями і при відсутності струму в обмотках- при цьому сила тяжіння їх незмінна і обумовлюється магнітним потоком постійного магніту.

Дія поляризованого електромагніту полягає в тому, що при проходженні струму по його обмотках сила тяжіння його полюсів зростає або зменшується залежно від величини і напрямку струму в обмотках. На цій властивості поляризованого електромагніту заснована дія електричних поляризованих реле та інших електротехнічних пристроїв.

Дія магнітного поля на провідник зі струмом

Якщо в магнітне поле помістити провідник так, щоб він був розміщений перпендикулярно силовим лініям поля, і пропустити по цьому провіднику електричний струм, то провідник почне рухатися і буде виштовхувати з магнітного поля.

В результаті взаємодії магнітного поля з електричним струмом провідник починає рухатися, т. Е. Електрична енергія перетворюється в механічну.

Сила, з якою провідник виштовхується з магнітного поля, знаходиться в залежності від величини магнітного потоку магніту, сили струму в провіднику і довжини тієї частини провідника, яку перетинають силові лінії поля. Напрямок дії цієї сили, т. Е. Напрям руху провідника, знаходиться в залежності від напрямку струму в провіднику і визначається за правилом лівої руки.

Якщо тримати долоню лівої руки так, щоб в неї входили магнітні силові лінії поля, а витягнуті чотири пальці були звернені у напрямку струму в провіднику, то відігнутий великий палець вкаже напрям руху провідника. Застосовуючи це правило, потрібно пам`ятати, що силові лінії поля виходять з північного полюса магніту.