Mitä solenoidikenttää kutsutaan kriittiseksi. Solenoidin magneettikentän tutkiminen

Ne ovat suljettuja, mikä osoittaa, että luonnossa niitä ei ole magneettiset varaukset. kentät, sähkölinjat jotka ovat kiinni, kutsutaan pyörrekentät. Eli magneettikenttä on pyörrekenttä. Tämä eroaa varausten synnyttämästä sähkökentästä.

Solenoidi.

Solenoidi- Tämä on johdinspiraali virralla.

Solenoidille on tunnusomaista kierrosten lukumäärä pituusyksikköä kohti n, pituus l ja halkaisija d. Solenoidin langan paksuus ja kierteen nousu (kierreviiva) ovat pieniä verrattuna sen halkaisijaan d ja pituus l. Termiä "solenoidi" käytetään myös laajemmassa merkityksessä - tämä on nimitys keloille, joilla on mielivaltainen poikkileikkaus (neliömäinen solenoidi, suorakulmainen solenoidi), eikä välttämättä lieriömäinen (toroidaalinen solenoidi). Erottaa pitkä solenoidi (l ≫ d) Ja lyhyt solenoidi (l ≪ d). Tapauksissa, joissa suhde d Ja l ei erikseen mainita, pitkä solenoidi tarkoittaa.

A. Ampere keksi solenoidin vuonna 1820 tehostamaan X. Oerstedin löytämän virran magneettista vaikutusta, jota D. Arago käytti terästankojen magnetointikokeissa. Ampere tutki solenoidin magneettisia ominaisuuksia kokeellisesti vuonna 1822 (samaan aikaan hän otti käyttöön termin "solenoidi"). Solenoidin vastaavuus kestomagneetteihin todettiin, mikä oli vahvistus Amperen sähködynaamiselle teorialle, joka selitti magnetismin kappaleiden piilossa olevien rengasmolekyylivirtojen vuorovaikutuksella.

Sähkölinjat magneettikenttä solenoidi:

Näiden viivojen suunta määritetään käyttämällä toisen oikean käden sääntö.

Jos kiinnität solenoidin oikean kätesi kämmenellä ohjaten neljä sormea ​​virtaa pitkin käännöksissä, sitten sisään vedetty peukalo ilmaisee solenoidin sisällä olevien magneettisten viivojen suunnan.

Vertaamalla solenoidin magneettikenttää kestomagneetin kenttään (kuva alla), voit nähdä, että ne ovat hyvin samankaltaisia.

Magneetin tavoin solenoidissa on kaksi napaa - pohjoinen ( N) ja eteläinen ( S). Pohjoisnapa on se, josta magneettisia viivoja mene ulos; etelänapa on se, johon he menevät. Solenoidin pohjoisnapa sijaitsee aina sillä puolella, johon kämmenen peukalo osoittaa, kun se asetetaan oikean käden toisen säännön mukaisesti.

Solenoidi kelan muodossa suuri numero kierroksia käytetään magneettina.

Solenoidin magneettikentän tutkimukset osoittavat sen magneettinen toiminta solenoidi kasvaa virran ja solenoidin kierrosten määrän kasvaessa. Lisäksi solenoidin tai virtaa kuljettavan kelan magneettista toimintaa tehostetaan viemällä siihen rautasanko, joka on ns. ydin.

Sähkömagneetit.

Nykyaikaiset sähkömagneetit pystyvät nostamaan useita kymmeniä tonneja painavia kuormia. Niitä käytetään tehtaissa raskaita rauta- ja terästuotteita siirrettäessä. Myös sähkömagneetteja käytetään maataloudessa useiden kasvien jyvien puhdistamiseen rikkaruohoista ja muilla teollisuudenaloilla.

Erityisen kiinnostava on solenoidin sisällä oleva magneettikenttä, jonka pituus ylittää merkittävästi sen halkaisijan. Tällaisen solenoidin sisällä magneettisella induktiolla on sama suunta kaikkialla, yhdensuuntainen solenoidin akselin kanssa, ja tämä tarkoittaa, että kenttäviivat ovat yhdensuuntaisia ​​toistensa kanssa.

Mittaamalla jollain tavalla magneettisen induktion sisään eri pisteet solenoidin sisällä voidaan varmistaa, että jos solenoidin kierrokset ovat tasaisin välein, niin solenoidin sisällä olevalla magneettikentän induktiolla ei ole vain sama suunta kaikissa kohdissa, vaan myös sama numeerinen arvo. Joten pitkän, tasaisesti kierretyn solenoidin sisällä oleva kenttä on tasainen. Tulevaisuudessa, kun puhutaan solenoidin sisällä olevasta kentästä, tulee aina mieleen tällaisia ​​"pitkiä" yhtenäisiä solenoideja, emmekä kiinnitä huomiota poikkeamiin kentän tasaisuudesta solenoidin päiden lähellä olevilla alueilla.

Samanlaiset mittaukset tehty eri solenoideilla klo eri vahvuus virran niissä, osoitti, että pitkän solenoidin sisällä olevan kentän magneettinen induktio on verrannollinen virran voimakkuuteen ja kierrosten määrään solenoidin pituusyksikköä kohti, eli arvoon , jossa on solenoidin kierrosten kokonaismäärä ja on sen pituus. Täten,

missä on suhteellisuuskerroin, jota kutsutaan magneettivakioksi (vrt. sähkövakio, § 11). Numeerinen arvo magneettinen vakio

Myöhemmin (§ 157) käy ilmi, että yksikköä, jolla määrä ilmaistaan, voidaan kutsua "henryksi metriä kohti", missä henry (H) on induktanssin yksikkö. Siksi voimme kirjoittaa sen

Gn/m. (126,2)

Yksinkertaisuuden vuoksi solenoidikenttää käytetään vertailukenttänä.

Magneettikentän karakterisoimiseen käytetään magneettisen induktion lisäksi myös vektorisuuretta, jota kutsutaan magneettikentän voimakkuuteen. Jos kenttä on tyhjiössä, suuret ja ovat yksinkertaisesti verrannollisia toisiinsa:

joten määrän käyttöönotto ei tuo mitään uutta. Aineen kentän tapauksessa yhteydellä on kuitenkin muoto

missä on aineen dimensioton ominaisuus, jota kutsutaan suhteelliseksi magneettiseksi permeabiliteetiksi tai yksinkertaisesti aineen magneettiseksi permeabiliteetiksi. Kun tarkastellaan aineen, kuten raudan, magneettikenttiä, määrä on hyödyllinen. Asiaa käsitellään tarkemmin 144 §:ssä.

Kaavoista (126.1) ja (126.3) seuraa, että jos solenoidi on tyhjiössä, magneettikentän voimakkuus

eli kuten sanotaan, yhtä suuri kuin ampeerikierrosten lukumäärä metriä kohti.

Käyttämällä magneettikentän induktiomittauksia, virran synnyttämä, joka virtasi hyvin pitkää ohutta suoraa johtimia pitkin, havaittiin, että

missä on virran voimakkuus johtimessa, on etäisyys johtimesta.

Kaavan (126.3) mukaan luotu kentänvoimakkuus suora johdin, joka sijaitsee tyhjiössä, on yhtä suuri kuin

Kaavan (126.7) mukaan magneettikentän voimakkuuden yksikköä kutsutaan ampeeriksi metriä kohti (A/m). Yksi ampeeri metriä kohti on magneettikentän voimakkuus yhden metrin etäisyydellä ohuesta, suorasta, äärettömän pitkästä johtimesta, joka kuljettaa ampeerivirtaa.

126.1. Magneettikentän induktio solenoidin sisällä on 0,03 Teslaa. Mikä virta kulkee solenoidissa, jos sen pituus on 30 cm ja kierrosten lukumäärä on 120?

126.2. Miten solenoidin sisällä olevan kentän magneettinen induktio edellisestä tehtävästä muuttuu, jos solenoidi venytetään 40 cm:iin tai puristetaan 10 cm:iin? Mitä tapahtuu, jos taitat solenoidin puoliksi niin, että yhden puolikkaan kierrokset ovat toisen puolikkaan kierrosten välissä?

126.3. Virta kulkee 20 cm pitkän solenoidin läpi, joka koostuu 60 kierrosta ja jonka halkaisija on 15 cm. Mitä tapahtuu solenoidin sisällä olevalle magneettikentälle, jos sen kierrosten halkaisija pienennetään 5 cm:iin säilyttäen solenoidin saman pituuden ja käyttämällä samaa lankaa? Kuinka saada sama magneettikentän induktio, kun solenoidin kierrosten pituus ja halkaisija eivät muutu?

126.4. 8 cm pitkän solenoidin sisällä, joka koostuu 40 kierrosta, on toinen solenoidi, jonka kierrosten lukumäärä solenoidin pituutta 1 cm kohti on 10. Sama 2 A virta kulkee molempien solenoidien läpi. Mikä on kentän magneettinen induktio molempien solenoidien sisällä, jos niiden pohjoispäät ovat: a ) yksisuuntainen; b) vastakkaisiin suuntiin?

126.5. Solenoideja on kolme, joiden pituus on 30 cm, 5 cm ja 24 cm ja joiden kierrosten lukumäärä on 1500, 1000 ja 600. Ensimmäisen solenoidin läpi kulkee 1 A:n virta Mitä virtoja tulee kulkea toisen ja kolmannen solenoidin läpi, jotta magneettinen induktio kaikkien kolmen solenoidin sisällä on sama?

126.6. Laske magneettikentän induktio jokaisessa tehtävän 126.5 solenoidissa.

126.7. 10 cm pitkässä solenoidissa sinun on saatava magneettikenttä, jonka voimakkuus on 5000 A/m. Tässä tapauksessa solenoidin virran tulee olla 5 A. Kuinka monesta kierrosta solenoidin tulee koostua?

126.8. Mikä on kentän magneettinen induktio solenoidin sisällä, jonka pituus on 20 cm ja kierrosten kokonaismäärä on 500, virralla 0,1 A? Miten magneettinen induktio muuttuu, jos solenoidi venytetään 50 cm:iin ja virta pienennetään 10 mA:iin?

Lasketaan kiertolauseen avulla magneettikentän induktio sisällä solenoidi. Harkitse solenoidia, jolla on pituus l joilla on N kierrokset, joiden läpi virta kulkee (kuva 175). Solenoidin pituuden katsotaan olevan monta kertaa suurempi kuin sen kierrosten halkaisija, eli kyseessä oleva solenoidi on äärettömän pitkä. Solenoidin magneettikentän kokeellinen tutkimus (katso kuva 162, b) osoittaa, että solenoidin sisällä kenttä on tasainen, solenoidin ulkopuolella epähomogeeninen ja erittäin heikko.

Kuvassa 175 näyttää magneettisen induktion linjat solenoidin sisällä ja ulkopuolella. Mitä pidempi solenoidi, sitä vähemmän magneettista induktiota sen ulkopuolella. Näin ollen voidaan likimäärin olettaa, että äärettömän pitkän solenoidin kenttä on keskittynyt kokonaan sen sisään ja solenoidin ulkopuolella oleva kenttä voidaan jättää huomiotta.

Magneettisen induktion löytäminen SISÄÄN valitse suljettu suorakaiteen muotoinen ääriviiva ABCDA kuten kuvassa näkyy. 175. Vektorikierto SISÄÄN suljetussa kierrossa ABCDA kattaa kaiken N käännökset (118.1) on yhtä suuri kuin

Integraali ohi ABCDA voidaan esittää neljän integraalin muodossa: mukaan AB, BC, CD Ja D.A. Sivuilla AB Ja CD piiri on kohtisuorassa magneettisen induktion linjoille ja Bl = 0. Solenoidin ulkopuolella B=0. Sijainti päällä D.A. vektorikierto SISÄÄN yhtä kuin Bl(piiri osuu yhteen magneettisen induktiolinjan kanssa); siten,

(119.1)

Kohdasta (119.1) saadaan solenoidin sisällä (tyhjiössä) olevan kentän magneettisen induktion lauseke:

Huomasimme, että kenttä solenoidin sisällä homogeenisesti(reunavaikutukset solenoidin päiden viereisillä alueilla jätetään huomioimatta laskelmissa). Huomaa kuitenkin, että tämän kaavan johtaminen ei ole täysin oikea (magneettiset induktiolinjat ovat suljettuja, ja integraali magneettikentän ulkoisen osan yli ei ole tiukasti nolla). Solenoidin sisällä oleva kenttä voidaan laskea oikein soveltamalla Biot-Savart-Laplacen lakia; tuloksena on sama kaava (119.2).

Magneettikenttä on tärkeä myös harjoitteluun. toroid- rengaskela, jonka kierrokset on kierretty toruksen muotoiselle ytimelle (kuva 176). Magneettikenttä, kuten kokemus osoittaa, on keskittynyt toroidin sisään, sen ulkopuolella ei ole kenttää.

Magneettisen induktion linjat ovat tässä tapauksessa, kuten symmetrianäkökulmasta seuraa, ympyröitä, joiden keskipisteet sijaitsevat toroidin akselilla. Ääriviivaksi valitsemme yhden sellaisen säteen ympyrän r. Sitten kiertolauseen (118.1) mukaan B× 2p r = m 0 NI mistä seuraa, että magneettinen induktio toroidin sisällä (tyhjiössä)

Missä N- toroidin kierrosten määrä.

Jos piiri kulkee toroidin ulkopuolella, se ei kata virtoja ja B× 2p r = 0. Tämä tarkoittaa, että toroidin ulkopuolella ei ole kenttää (kuten kokemus myös osoittaa).

Epäilemättä kaikki rakastivat magneetilla leikkiä lapsena. Kestomagneetin hankkiminen oli erittäin helppoa: tätä varten piti löytää vanha kaiutin, poistaa siitä ääntä toistava kaiutin ja yksinkertaisten "ilkivallantekojen" jälkeen poistaa rengasmagneetti siitä. Ei ole yllättävää, että monet kokeilivat metalliviilaa ja paperiarkkia. Sahanpuru järjestettiin raidoiksi kentänvoimakkuusviivoja pitkin.

Sähkötekniikassa ei kestomagneetit, vaan sähkömagneetit ovat yleistyneet paljon. Fysiikan kurssista tiedetään, että kun sähkövirta kulkee johtimen läpi, syntyy johtimen ympärille magneettikenttä, jonka suuruus on suoraan verrannollinen virran teholliseen arvoon.

Epäilijät voivat toistaa Oerstedin yksinkertaisimman kokeen, kun kompassi asetetaan virtaa kuljettavan suoran johtimen viereen. Tässä tapauksessa nuoli poikkeaa maantieteellisestä Pohjoisnapa planeetat (suoraan johtoon nähden). Poikkeaman suunta voidaan määrittää oikean käden säännöllä: paikka oikea käsi yhdensuuntainen ohjaimen kanssa kämmen alaspäin. 4 sormea ​​osoittaa sitten 90 astetta taivutettu peukalo osoittaa nuolen poikkeaman suunnan. Suoran langan ympärillä magneettikenttä näyttää sylinteriltä, ​​jonka keskellä on lanka. Mutta jännityslinjat muodostavat renkaita.

Sähkötekniikassa näitä käytetään pääasiassa keloissa. Voit usein kuulla ilmaisun "solenoidin magneettikenttä". Kuvittelemme tavallista naulaa ja ohutta lankaa eristeessä. Kiertämällä lanka tasaisesti naulan ympärille saamme solenoidin. Tässä tapauksessa kynsi vaikuttaa solenoidin magneettikenttään, mutta tämä on aihe täysin erilaiselle artikkelille. On tärkeää ymmärtää, mitä termillä tarkalleen tarkoitetaan. Jos nyt kytket kelan magneettikenttään, sen ympärille ilmestyy.

Solenoidikenttä on suoraan verrannollinen induktanssiarvoon ja kierrosten läpi kulkevan virran neliöön. Induktanssi puolestaan ​​riippuu kierrosten lukumäärän neliöstä. Tässä tapauksessa on tarpeen ottaa huomioon käämin suunnittelu: tämä voi olla yksinkertainen tapaus, jossa on yksi kerros kierroksia, sekä monikerroksinen rakenne, jossa virran suunnalla kierroksissa on korjaava vaikutus kokonaisenergiasta. Solenoideja käytetään raitiovaunujen piireissä, leikkausmekanismeissa, kontaktoreissa jne.

Solenoidin magneettikenttä koostuu renkaista, jotka ulottuvat käämin toisesta päästä ja menevät sisään toiseen. Kelan sisällä voimalinjat eivät katkea, vaan leviävät sisään dielektrinen väliaine tai johtavaa sydäntä pitkin. Seuraus: solenoidikenttä on polaarinen. Linjat lähtevät magneettisesta pohjoisnavasta ja palaavat etelään. Ei ole vaikea arvata, että solenoidin magneettikenttä riippuu johdon päihin kytketyn virtalähteen napaisuudesta. Solenoidin magneettiset ominaisuudet ovat käytännössä samat kuin tämä mahdollistaa solenoidin käytön sähkömagneettina. Tuotannossa voi nähdä nostureita, joissa on sähkömagneettilevy koukun sijaan. Tämä on solenoidin "isoveli" - käämitys ytimessä. Kaikkien sähkömagneettien erikoisuus on se magneettiset ominaisuudet olemassa vain, kun virta kulkee kierrosten läpi.

Solenoidien lisäksi käytetään usein toroideja. Nämä ovat samoja langan kierroksia, mutta kierretty magneettisydämeen pyöreä muoto. Näin ollen solenoidin ja toroidin magneettikentät ovat erilaisia. pääominaisuus on, että voimalinjat etenevät kantamagneettista piiriä pitkin itse kelan sisällä, eivätkä sen ulkopuolella, kuten solenoidin tapauksessa. Kaikki tämä osoittaa renkaan magneettisesti johtavaan materiaaliin perustuvien kelojen korkeampaa hyötysuhdetta. Seuraus: ne ovat luotettavia ja niillä on vähemmän hävikkiä kuin tavanomaisissa vastineissaan.