Без сомнения, всем в детстве нравилось играться с магнитом. Раздобыть постоянный магнит было очень просто: для этого нужно было найти старую колонку, извлечь из нее звуковоспроизводящий динамик и, после несложных «вандальных действий», достать из нее кольцевой магнит. Неудивительно, что многие проводили опыт с металлическим опилками и листом бумаги. Опилки располагались полосами - вдоль линий напряженности поля.
В электротехнике намного большее распространение получили не постоянные, а электромагниты. Из курса физики известно, что при протекании электрического тока по проводнику, вокруг последнего создается магнитное поле, величина которого непосредственно связана с действующим значением тока.
Сомневающиеся могут повторить простейший опыт Эрстеда, когда рядом с прямолинейным проводником с током размещается компас. При этом стрелка будет отклоняться от географического северного полюса планеты (перпендикулярно проводу). Направление отклонения можно определить при помощи правила правой руки: размещаем правую руку параллельно проводнику ладонью вниз. 4 пальца должны указывать Тогда отогнутый на 90 градусов большой палец укажет сторону отклонения стрелки. Вокруг прямого провода магнитное поле имеет вид цилиндра с проводом посередине. А вот линии напряженности образуют кольца.
В электротехнике указанные используются, прежде всего, в катушках. Часто можно услышать выражение «магнитное поле соленоида». Представим себе обыкновенный гвоздь и тонкий провод в изоляции. Равномерно наматывая провод на гвоздь, получаем соленоид. В данном случае гвоздь влияет на магнитное поле соленоида, но это тема совершенно другой статьи. Важно понять, что именно понимают под термином. Если теперь подключить катушку к то вокруг нее возникнет магнитное поле.
Поля соленоида прямопропорциональна значению индуктивности и квадрату проходящего по виткам тока. В свою очередь, индуктивность зависит от квадрата числа витков. При этом нужно учитывать конструкцию обмотки: это может быть простой случай с одним слоем витков, а также многослойная структура, где направление тока в витках оказывает корректирующее действие на суммарную энергию. Соленоиды используются в схемах трамваев, режущих механизмов, контакторов и пр.
Магнитное поле соленоида представляет собой кольца, выходящие из одного конца обмотки и входящие в другой. Внутри катушки силовые линии не прерываются, а распространяются в диэлектрической среде или по проводящему сердечнику. Следствие: поле соленоида полярно. Линии выходят из магнитного северного полюса, а возвращаются в южный. Нетрудно догадаться, что магнитное поле соленоида зависит от полярности источника тока, подключенного к концам провода. Магнитные свойства соленоида практически совпадают с Это позволяет использовать соленоид в качестве электромагнита. На производстве можно увидеть краны, у которых вместо крюка размещен диск электромагнита. Это «большой брат» соленоида - обмотка на сердечнике. Особенность всех электромагнитов в том, что магнитные свойства существуют лишь при протекании тока по виткам.
Кроме соленоидов часто используются тороиды. Это те же самые витки провода, но намотанные на магнитопроводе круглой формы. Соответственно, магнитное поле соленоида и тороида различны. Главная особенность в том, что силовые линии распространяются по основе-магнитопроводу внутри самой катушки, а не вне ее, как в случае соленоида. Все это свидетельствует о более высоком КПД катушек на кольцевом магнитопроводящем материале. Следствие: надежны и обладают меньшими потерями, чем их привычные собратья.
Соленоид представляет собой провод, навитый равномерно в виде спирали на общий цилиндрический каркас (см. рис. 12.14). Произведение (IN) числа витков однослойной намотки соленоида на силу тока, обтекающего витки, называется числом ампер-витков.
Соленоиды
предназначены для создания в небольшом
объеме пространства достаточно сильного
магнитного поля. При плотной намотке
витков поле соленоида эквивалентно
полю системы круговых параллельных
токов с общей осью. Если диаметр d витков
соленоида во много раз меньше его длины
(d
l), то соленоид считается бесконечно
длинным (или тонким). Магнитное поле
такого соленоида практически целиком
сосредоточено внутри, причем вектор
магнитной индукции
внутри
направлен
вдоль оси соленоида и связан с направлением
тока правилом правого винта.
Р
ис.
12.15
Рассмотрим
воображаемый замкнутый контур
внутри соленоида (рис.
12.15). Этот
контур не охватывает токов, поэтому по
теореме о циркуляции
Разобьем
этот круговой интеграл на четыре
интеграла (по сторонам контура) и учтем,
что на отрезках (1-2) и (3-4) вектор
перпендикулярен
,
поэтому скалярное произведение (
,
)
здесь обращается в ноль. Индукция поля
во всех точках отрезка (2-3) одинакова и
равна
23 ,
а на отрезке (4-1) 
41 ,
причем l 23 =
l 41
= l.
Таким образом, обойдя контур по часовой стрелке, получим
Так как l 0, то В 23 = В 41 = В внутри.
Поскольку контур внутри соленоида был выбран произвольно, то полученный результат справедлив для любых внутренних точек соленоида, то есть поле внутри соленоида однородное:
внутри
= const.
Чтобы найти величину индукции этого поля, рассмотрим контур L 2 (а –b –c –d –а ), охватывающий N витков с током (рис. 12.15). Согласно теореме о циркуляции (и на основании предыдущих рассуждений), получим соотношение
Поле
снаружи бесконечно длинного соленоида
очень слабое (
снаружи
=0), им можно
пренебречь, следовательно,
(12.35)
где n=N/l - число витков, приходящихся на единицу
длины соленоида.
Таким образом, индукция магнитного поля внутри бесконечно длинного соленоида одинакова по величине и направлению и пропорциональна числу ампер-витков, приходящихся на единицу длины соленоида.
Симметрично расположенные витки вносят одинаковый вклад в магнитную индукцию на оси соленоида, поэтому у конца полубесконечного соленоида на его оси магнитная индукция равна половине того значения, которое дает формула (12.35), т.е.
(12.36)
Практически, если (l d ), то формула (12.35) справедлива для точек в средней части соленоида, а формула (12.36) – для точек на оси вблизи его концов.
Применяя закон Био-Савара-Лапласа, можно найти магнитную индукцию поля соленоида конечной длины (рис. 12.16) в произвольной точке А на его оси:
(12.37)
г
де
- углы между осью соленоида и радиус-
вектором, проведенным из рассматриваемой
точки к концам соленоида.
Поле
такого соленоида неоднородное, величина
индукции зависит от положения точки А
и длины соленоида. Для бесконечно
длинного соленоида
,
,
и формула (12.37) переходит в формулу
(12.35).
