Напряженность магнитного поля

Магнитное поле катушки (соленоида) имеет сходство с магнитным полем постоянного магнита. У катушки, так же как у постоянного магнита, есть два полюса – северный и южный. Чем больше ток в катушке и чем больше число ее витков, тем сильнее создаваемое магнитное поле.

Намагничивающая сила катушки (м.д.с.), по виткам которой протекает электрический ток, равна произведению числа витков W обмотки на силу тока I, протекающему по ней.

м.д.с. =IW

Для характеристики условий возбуждения магнитного поля применяют величину, называемую напряженностью магнитного поля.

Напряженность магнитного поля (Н) зависит от силы тока, числа витков, а также от ее геометрических размеров:

Н=IW/ l, где l – средняя длина магнитной линии, м

Напряженность измеряется в а/м. Величина в 80 раз большая 1 а/м, называется эрстедом

1 э=80 а/м

Можно считать, что магнитная индукция В возникает под действием напряженности магнитного поля Н.

Пример. Обмотка цилиндрической формы длиной l =0,3 м, состоит из 1800 витков и по ним протекает ток I=0,2 а.

Вычислить напряженность магнитного поля внутри катушки.

Решение: Н=IW/ l =0,2х1800/0,3=1200 а/м=15 э

Магнитный поток

Магнитное поле характеризуется также величиной, носящей название магнитного потока (Ф).

Под магнитным потоком Ф, проходящим через площадь S, перпендикулярную магнитным линиям, понимают произведение величины магнитной индукции В на величину площади, которая пронизывается этим магнитным потоком

Ф=ВS, вб (вебер) 1 вб=100 000 000 мкс(максвелл)

Электромагниты и их применение

Если в соленоид поместить стальной сердечник и пропустить по его виткам электрический ток, то сердечник намагничивается и приобретает магнитные свойства, которыми обладает постоянный магнит. Магнитное поле электромагнита во много раз сильнее поля соленоида. Это объясняется тем, что намагниченный сердечник из ферромагнитного материала создает свое магнитное поле, которое, складываясь с магнитным полем соленоида, значительно увеличивает общее магнитное поле, образуемое током. Электромагниты широко применяют в реле и пускателях.

Электромагнитная индукция

Связь между электрическими и магнитными явлениями подтверждается тем, что при движении проводника (витка) в магнитном поле или при изменении магнитного потока вокруг него в проводнике (витке) индуктируется (наводится) э.д.с. Под действием индуктируемой э.д.с. в замкнутом проводнике возникает электрический ток.

Направление э.д.с. индукции можно определить по правилу правой руки: если ладонь правой руки расположить так, чтобы магнитные линии входили в нее, а большой палец указывал направление движения проводника в магнитном поле, то вытянутые четыре пальца укажут направление индуктированной э.д.с.

Величина индуктированной э.д.с. (Е), возникающей в проводнике при пересечении им магнитных линий, зависит от магнитной индукции В, рабочей длины проводника l и скорости его движения в магнитном поле v

Е=В l v.

Если проводник пересекает магнитный поток под каким-то другим (не под прямым) углом, то

Е=В l v sin α, где

α – угол между направлением движения проводника и направлением магнитного потока

Пример. Магнитная индукция магнитного поля В=2 тл. Проводник длиной l = 0,4 м движется под прямым углом к магнитным линиям со скоростью v=15 м/сек. Определить индуктируемую в проводнике э.д.с.

Решение: Е=B l v=2х0,4х15=12 В

В простейшем случае, когда α=90⁰ и проводник движется с равномерной скоростью в равномерном магнитном поле, то скорость перемещения проводника

V= Δх/Δt

Следовательно, э.д.с. индукции

Е=ВLv=B l Δх/Δt=BΔS/ Δt=ΔФ/ Δt, где

ΔФ – магнитный поток, который проводник пересекает за отрезок времени Δt

Е= ΔФ/ Δt

Величина э.д.с. не зависит от того, движется ли проводник по отношению к магнитному полю или магнитное поле перемещается по отношению к проводнику.

Явление электромагнитной индукции было открыто Фарадеем.

Получение переменной электродвижущей силы

Переменным током называется такой электрический ток, который периодически изменяется по величине и направлению.

Для получения переменного тока используют генераторы. Работа генератора основана на явлении электромагнитной индукции.

Простейшая схема генератора: между полюсами постоянного магнита помещен виток медной проволоки, укрепленный на оси и вращаемый вокруг нее каким-либо двигателем. Концы витка соединены с медными контактными кольцами, изолированными от оси. К кольцам прижимаются щетки, к которым присоединяется приемник электрической энергии.

Величина индуктированной э.д.с. Е зависит от синуса угла между направлением движения проводника и направлением магнитного потока:

Е=В l v sin α

Рассмотрим различные положения витка, вращающегося в однородном магнитном поле генератора с равномерной скоростью.

Положение 1. Плоскость витка перпендикулярна магнитным линиям. В положении 1 виток перемещается вдоль магнитного потока. Следовательно, виток не пересекает магнитных линий, угол α между направлением движения проводника и магнитным потоком равен нулю, а sin 0^о=0. Поэтому индуктированная в витке э.д.с. равна нулю.

Положение 2. Виток, вращаясь по окружности, через некоторое время повернется на угол α=90^о и займет положение 2 (плоскость витка вдоль магнитных линий). При этом он пересекает наибольшее количество магнитных линий. Индуктированная в нем э.д.с. будет наибольшей, sin90^о=1 и Е=В l v.

Положение 3. Из положения 2 виток, продолжая вращаться, займет положение 3 и будет пересекать магнитный поток под углом α=180^о. На пути от 2 до 3 индуктированная э.д.с. будет постепенно уменьшаться и в положении 3 станет равной нулю, так как виток не будет пересекать магнитный поток; sin 180^о=0 и э.д.с. равна нулю.

Положения 4 и 5. Далее виток при своем вращении займет поочередно положения 4 и 5 и вновь вернется в положение 1. Пользуясь правилом правой руки, можно убедиться в том, что во вторую половину оборота витка возникшая в нем э.д.с. изменит свое направление.

Основные величины, характеризующие переменный ток

Период. Время, в течение которого переменная э.д.с. (напряжение или ток) совершает одно полное изменение по величине и направлению (один цикл), называется периодом. Период обозначается буквой Т и измеряется в секундах.

Частота. Число полных изменений переменной э.д.с. (напряжения или тока), совершаемых за 1 секунду, называется частотой. Частота обозначается буквой f и измеряется в герцах (гц). Частота – величина, обратная периоду:

f=1/Т

Мгновенное и максимальное значение. Величину переменной э.д.с., силы тока, напряжения в любой момент времени называют мгновенными значениями этих величин и обозначают строчными буквами (e, i, u).

Наибольшая величина переменной э.д.с., силы тока, напряжения, которая достигается за один период, называется максимальным значением (Em, Im, Um).

Действующая величина. Электрический ток, протекающий по проводам, независимо постоянный он или переменный, нагревает их. Можно подобрать такой постоянный ток, который, протекая по такому же сопротивлению, что и переменный ток, выделял бы равное количество тепла. В этом случае можно сказать, что в среднем действие переменного тока по количеству выделенного тепла равно действию постоянного тока.

Действующим значением переменного тока называется такая сила постоянного тока, которая, протекая через равное сопротивление и за одно и то же время, что и переменный ток, выделяет одинаковое количество тепла.

Электроизмерительные приборы (амперметр, вольтметр), включенные в цепь переменного тока, измеряют соответственно действующее значение тока и напряжения.

Для синусоидальных величин э.д.с., тока и напряжения действующие значения меньше максимальных в 1,41 раз:

E=Em/1,41 I=Im/1,41 U=Um/1,41