Fusha magnetike dhe induktiviteti
Një fushë magnetike lind rreth çdo përcjellësi përmes të cilit rrjedh rryma. Ky efekt quhet elektromagnetizëm. Fushat magnetike ndikim nivelim elektronet në atome,
dhe mund të shkaktojë forcë fizike e aftë për t'u zhvilluar në hapësirë. si fushat elektrike, fushat magnetike mund të zënë plotësisht hapësirë boshe, Dhe ndikojnë në materie në një distancë.
Një fushë magnetike ka dy karakteristika kryesore: forcën magnetomotore dhe fluksin magnetik. Sasia totale e fushës ose efekti i saj quhet fluks magnetik, dhe forca që krijon këtë fluks magnetik në hapësirë quhet forcë magnetomotore. Këto dy karakteristika janë afërsisht analoge me tensionin elektrik (forca magnetomotore) dhe rrymën elektrike (fluksi magnetik) në një përcjellës. Fluksi magnetik, ndryshe nga rryma elektrike (e cila ekziston vetëm aty ku ka elektrone të lira), mund të përhapet në hapësirë krejtësisht boshe. Hapësira i reziston rrjedhës magnetike në të njëjtën mënyrë që një përcjellës i reziston rrymës elektrike. Madhësia e fluksit magnetik është e barabartë me forcën magnetomotore të ndarë me rezistencën e mediumit.
Fusha magnetike është e ndryshme nga fusha elektrike. Nëse fusha elektrike varet nga numri i disponueshëm i ngarkesave të ndryshme (sa më shumë ngarkesa elektrike të një lloji në njërin përcjellës dhe e kundërta në tjetrin, aq më e madhe është fusha elektrike midis këtyre përçuesve), atëherë fusha magnetike krijohet nga rrjedha e elektroneve (sa më intensive të jetë lëvizja e elektroneve, aq më shumë fushë magnetike rreth tyre).
Një pajisje e aftë për të ruajtur energjinë e fushës magnetike quhet induktor. Forma e spirales krijon një fushë magnetike shumë më të fortë se një përcjellës tipik i drejtë. Baza strukturore e induktorit është një kornizë dielektrike mbi të cilën është mbështjellë një tel në formën e një spirale (ekzistojnë edhe mbështjellje pa kornizë). Dredha-dredha mund të jetë ose me një shtresë ose me shumë shtresa. Bërthamat magnetike përdoren për të rritur induktivitetin. Një bërthamë e vendosur brenda spirales përqendron fushën magnetike dhe në këtë mënyrë rrit induktivitetin e saj.
Simbolet për induktorët në diagramet elektrike janë si më poshtë:
Meqenëse rryma elektrike krijon një fushë magnetike të përqendruar rreth spirales, fluksi magnetik i kësaj fushe barazohet ruajtja e energjisë (ruajtja e së cilës ndodh për shkak të lëvizje kinetike elektronet përmes spirales). Sa më e madhe të jetë rryma në spirale, aq më e fortë është fusha magnetike dhe aq më shumë energji.
do të ruajë induktorin Sepse induktorët kurseni energjia kinetike elektrone në lëvizje në formën e një fushe magnetike, në një qark elektrik ato sillen krejtësisht ndryshe nga rezistenca (të cilat janë thjesht shpërndajnë energji në formën e nxehtësisë). Aftësia për të ruajtur energjinë e bazuar në rrymë i lejon induktorit ta mbajë atë rrymë në një nivel konstant. Me fjalë të tjera, ai i reziston ndryshimeve në rrymë. Kur rryma nëpër bobina rritet ose zvogëlohet , prodhon ajo.
tension polariteti i të cilit është i kundërt me këto ndryshime
Për të ruajtur më shumë energji, rryma përmes induktorit duhet të rritet. Në këtë rast, forca e fushës magnetike do të rritet, gjë që do të çojë në shfaqjen e tensionit sipas parimit të vetë-induksionit elektromagnetik. Në të kundërt, për të çliruar energji nga spiralja, rryma që kalon nëpër të duhet të reduktohet. Në këtë rast, forca e fushës magnetike do të ulet, gjë që do të çojë në shfaqjen e një tensioni me polaritet të kundërt. Kujtoni Ligjin e Parë të Njutonit, i cili thotë se çdo trup vazhdon të mbahet në një gjendje pushimi ose lëvizje uniforme dhe lineare derisa dhe nëse detyrohet nga forcat e aplikuara për të ndryshuar këtë gjendje. Me mbështjelljet induktore situata është afërsisht e njëjtë: "elektronet që lëvizin përmes spirales priren të mbeten në lëvizje dhe elektronet në pushim priren të qëndrojnë në qetësi". Hipotetikisht, me qark të shkurtërinduktor b do të mund të ruhet për aq kohë sa të dëshironi shpejtësi konstante rrjedha e elektroneve
pa ndihmë të jashtme:
Kur rryma përmes spirales rritet, ajo krijon një tension, polariteti i të cilit është i kundërt me rrjedhën e elektroneve. Në këtë rast, induktori vepron si ngarkesë. Ai bëhet, siç thonë ata, "i ngarkuar" pasi gjithnjë e më shumë energji ruhet në fushën e saj magnetike. Në foton e mëposhtme rreth kushtojini vëmendje polariteti i tensionit
Në të kundërt, kur rryma përmes spirales zvogëlohet, në terminalet e saj shfaqet një tension, polariteti i të cilit korrespondon me rrjedhën e elektroneve. Në këtë rast, induktori vepron si një burim energjie. Ajo lëshon energji të fushës magnetike në pjesën tjetër të qarkut. Ju lutemi vini re polariteti i tensionit në lidhje me drejtimin e rrymës:
Nëse një induktor jo i magnetizuar është i lidhur me një burim energjie, atëherë në momentin fillestar të kohës ai do t'i rezistojë rrjedhës së elektroneve, duke kaluar të gjithë tensionin e burimit. Ndërsa rryma fillon të rritet, forca e fushës magnetike të krijuar rreth spirales do të rritet, duke thithur energji nga burimi i energjisë. Përfundimisht, rryma do të arrijë vlerën e saj maksimale dhe do të ndalojë së rrituri. Në këtë moment spiralja ndalon thithin energji nga furnizimi me energji elektrike Dhe tensioni në terminalet e tij bie në një nivel minimal(ndërsa rryma mbetet në nivelin maksimal). Kështu, ndërsa më shumë energji ruhet, rryma përmes induktorit rritet dhe voltazhi në terminalet e tij bie. Vini re se kjo sjellje është krejtësisht e kundërt me sjelljen e një kondensatori,në të cilat një rritje e numritenergjia e ruajtur çon në një rritje të tensionit në terminalet e tij. Nëse kondensatorët përdorin energjinë e ruajtur për të ruajtur tension konstant, pastaj induktorët Kjo energji përdoret për duke mbajtur vlerë konstante aktuale.
Lloji i materialit nga i cili është bërë tela spirale ka një ndikim të rëndësishëm në fluksin magnetik (dhe rrjedhimisht sasinë e energjisë së ruajtur) të krijuar nga një sasi e caktuar rryme. Materiali nga i cili është bërë bërthama e induktorit ndikon gjithashtu në fluksin magnetik: një material ferromagnetik (si hekuri) do të krijojë një fluks më të fortë se një material jomagnetik (si alumini ose ajri).
Aftësia e një induktori për të nxjerrë energji nga një burim rrymë elektrike dhe për ta ruajtur atë në formën e një fushe magnetike quhet induktiviteti. Induktiviteti është gjithashtu një masë e rezistencës ndaj ndryshimeve në rrymë. Për të treguar induktivitetin përdoret karakteri "L", dhe matet në Henri, shkurtuar si "Hn"
Do të ishte logjike të flitet për një përfaqësues tjetër të elementeve radio pasive - induktorët. Por historia për ta do të duhet të fillojë nga larg, duke kujtuar ekzistencën e një fushe magnetike, sepse është fusha magnetike ajo që rrethon dhe depërton në mbështjellje, dhe është në fushën magnetike, më së shpeshti të alternuara, që bobinat funksionojnë. Me pak fjalë, ky është habitati i tyre.
Magnetizmi si veti e materies
Magnetizmi është një nga vetitë më të rëndësishme të materies, ashtu si, për shembull, fusha e masës ose elektrike. Dukuritë e magnetizmit, ashtu si elektriciteti, njihen prej kohësh, por shkenca e asaj kohe nuk mund të shpjegonte thelbin e këtyre dukurive. Një fenomen i pakuptueshëm u quajt "magnetizëm" sipas qytetit të Magnezisë, i cili dikur ishte në Azinë e Vogël. Pikërisht nga xeherori i nxjerrë aty pranë u morën magnet të përhershëm.
Por magnetët e përhershëm nuk janë veçanërisht interesantë brenda fushës së këtij artikulli. Meqenëse u premtua të flitej për induktorët, atëherë me shumë mundësi do të flasim për elektromagnetizmin, sepse nuk është sekret që edhe rreth një teli me rrymë ka një fushë magnetike.
Në kushtet moderne, është mjaft e lehtë të studiohet fenomeni i magnetizmit të paktën në një nivel fillestar. Për ta bërë këtë, ju duhet të montoni një qark të thjeshtë elektrik nga një bateri dhe një llambë për një elektrik dore. Si tregues i fushës magnetike, drejtimit dhe forcës së saj, mund të përdorni një busull të rregullt.
Fusha magnetike DC
Siç e dini, një busull tregon drejtimin drejt veriut. Nëse vendosni telat e qarkut më të thjeshtë të përmendur më sipër afër dhe ndizni llambën, gjilpëra e busullës do të devijojë pak nga pozicioni i saj normal.
Duke lidhur një llambë tjetër paralele, mund të dyfishoni rrymën në qark, duke bërë që këndi i rrotullimit të shigjetës të rritet pak. Kjo tregon se fusha magnetike e telit që mbart rrymë është bërë më e madhe. Mbi këtë parim funksionojnë instrumentet matëse me tregues.
Nëse polariteti i baterisë është i kundërt, atëherë gjilpëra e busullës do të kthejë skajin tjetër - drejtimi i fushës magnetike në tela ka ndryshuar gjithashtu në drejtim. Kur qarku është i fikur, gjilpëra e busullës do të kthehet në pozicionin e saj të duhur. Nuk ka rrymë në spirale dhe nuk ka fushë magnetike.
Në të gjitha këto eksperimente, busulla luan rolin e një gjilpëre magnetike testuese, ashtu si studimi i një fushe elektrike konstante kryhet nga një ngarkesë elektrike provë.
Bazuar në eksperimente të tilla të thjeshta, mund të konkludojmë se magnetizmi lind për shkak të rrymës elektrike: sa më e fortë kjo rrymë, aq më të forta janë vetitë magnetike të përcjellësit. Nga vjen atëherë fusha magnetike e magnetëve të përhershëm, pasi askush nuk lidhi një bateri me tela me to?
Hulumtimet shkencore themelore kanë vërtetuar se magnetizmi i përhershëm bazohet në fenomene elektrike: çdo elektron është në fushën e tij elektrike dhe ka veti elementare magnetike. Vetëm në shumicën e substancave këto veti neutralizohen reciprokisht, dhe në disa për ndonjë arsye ato kombinohen në një magnet të madh.
Sigurisht, në realitet gjithçka nuk është aq primitive dhe e thjeshtë, por, në përgjithësi, edhe magnetët e përhershëm kanë vetitë e tyre të mrekullueshme për shkak të lëvizjes së ngarkesave elektrike.
Çfarë lloj linjash magnetike janë ato?
Linjat magnetike mund të shihen vizualisht. Në mësimet e fizikës shkollore, për këtë qëllim, tallash metali derdhen në një fletë kartoni dhe më poshtë vendoset një magnet i përhershëm. Duke trokitur lehtë mbi një fletë kartoni mund të arrini figurën e treguar në Figurën 1.
Figura 1.
Është e lehtë të shihet se linjat magnetike të forcës largohen nga poli i veriut dhe hyjnë në jug pa u thyer. Sigurisht, mund të themi se është krejt e kundërta, nga jugu në veri, por kështu është, pra nga veriu në jug. Në të njëjtën mënyrë siç pranonin dikur drejtimin e rrymës nga plus në minus.
Nëse, në vend të një magneti të përhershëm, kaloni një tel me rrymë përmes kartonit, atëherë fijet metalike do ta tregojnë atë, përcjellësin, një fushë magnetike. Kjo fushë magnetike duket si vija rrethore koncentrike.
Për të studiuar fushën magnetike, mund të bëni pa tallash. Mjafton të lëvizësh një gjilpërë magnetike testuese rreth një përcjellësi që mbart rrymë për të parë se linjat magnetike të forcës janë me të vërtetë rrathë koncentrikë të mbyllur. Nëse e lëvizni shigjetën e provës në drejtimin ku fusha magnetike e devijon atë, sigurisht që do të ktheheni në të njëjtën pikë nga ku keni filluar të lëvizni. Ashtu si duke ecur rreth Tokës: nëse shkoni pa u kthyer askund, herët a vonë do të vini në të njëjtin vend.
Figura 2.
Drejtimi i fushës magnetike të një përcjellësi që mbart rrymë përcaktohet nga rregulli i një gemle, një mjet për shpimin e vrimave në dru. Gjithçka është shumë e thjeshtë këtu: gjilpëra duhet të rrotullohet në mënyrë që lëvizja e saj përpara të përkojë me drejtimin e rrymës në tel, atëherë drejtimi i rrotullimit të dorezës do të tregojë se ku drejtohet fusha magnetike.
Figura 3.
"Rryma po vjen nga ne" - kryqi në mes të rrethit është pendë e një shigjete që fluturon përtej planit të vizatimit, dhe ku "rryma po vjen tek ne" tregon majën e një shigjete që fluturon nga pas rrafshi i fletës. Të paktën, ky është shpjegimi i këtyre shënimeve të dhëna në mësimet e fizikës në shkollë.
Figura 4.
Nëse zbatojmë rregullin gimlet për secilin përcjellës, atëherë pasi të kemi përcaktuar drejtimin e fushës magnetike në secilin përcjellës, mund të themi me besim se përçuesit me të njëjtin drejtim të rrymës tërheqin dhe fushat e tyre magnetike shtohen. Përçuesit me rryma të drejtimeve të ndryshme sprapsin njëri-tjetrin, fusha e tyre magnetike kompensohet.
Induktor
Nëse një përcjellës me rrymë është bërë në formën e një unaze (kthesë), atëherë ai ka polet e veta magnetike, në veri dhe në jug. Por fusha magnetike e një kthese është zakonisht e vogël. Rezultate shumë më të mira mund të arrihen duke mbështjellë telin në formën e një spirale. Kjo pjesë quhet induktor ose thjesht induktor. Në këtë rast, fushat magnetike të kthesave individuale shtohen, duke përforcuar reciprokisht njëra-tjetrën.
Figura 5.
Figura 5 tregon se si mund të merret shuma e fushave magnetike të spirales. Duket se është e mundur të fuqizohet çdo kthesë nga burimi i vet, siç tregohet në Fig. 5.2, por është më e lehtë të lidhni kthesat në seri (thjesht t'i mbështillni ato me një tel).
Është mjaft e qartë se sa më shumë rrotullime të ketë një spirale, aq më e fortë është fusha magnetike e saj. Fusha magnetike varet gjithashtu nga rryma përmes spirales. Prandaj, është mjaft legjitime të vlerësohet aftësia e një spirale për të krijuar një fushë magnetike thjesht duke shumëzuar rrymën përmes spirales (A) me numrin e rrotullimeve (W). Kjo vlerë quhet amper - kthesa.
Spirale bërthamore
Fusha magnetike e krijuar nga spiralja mund të rritet ndjeshëm nëse një bërthamë prej materiali ferromagnetik futet brenda spirales. Figura 6 tregon një tabelë me përshkueshmërinë magnetike relative të substancave të ndryshme.
Për shembull, çeliku i transformatorit do ta bëjë fushën magnetike afërsisht 7..7.5 mijë herë më të fortë sesa në mungesë të një bërthame. Me fjalë të tjera, brenda bërthamës fusha magnetike do ta rrotullojë gjilpërën magnetike 7000 herë më fort (kjo mund të imagjinohet vetëm mendërisht).
Figura 6.
Në krye të tabelës janë substancat paramagnetike dhe diamagnetike. Përshkueshmëria magnetike relative μ jepet në lidhje me vakumin. Rrjedhimisht, substancat paramagnetike forcojnë pak fushën magnetike, dhe substancat diamagnetike e dobësojnë pak atë. Në përgjithësi, këto substanca nuk kanë shumë ndikim në fushën magnetike. Megjithëse, në frekuenca të larta, bërthamat prej bronzi ose alumini përdoren ndonjëherë për të akorduar qarqet.
Në fund të tabelës janë substanca feromagnetike që rrisin ndjeshëm fushën magnetike të një mbështjelljeje me rrymë. Për shembull, një bërthamë çeliku e transformatorit do ta bëjë fushën magnetike saktësisht 7500 herë më të fortë.
Si dhe si të matet fusha magnetike
Kur nevojiteshin njësi për të matur sasitë elektrike, ngarkesa e një elektroni u mor si standard. Nga ngarkesa e një elektroni, u formua një njësi shumë reale dhe madje e prekshme - kulomb, dhe në bazë të saj gjithçka doli të ishte e thjeshtë: amper, volt, ohm, xhaul, vat, farad.
Çfarë mund të merret si pikënisje për matjen e fushave magnetike? Është shumë problematike të lidhësh disi një elektron me një fushë magnetike. Prandaj, njësia matëse në magnetizëm është një përcjellës përmes të cilit rrjedh një rrymë e drejtpërdrejtë prej 1 A.
Karakteristika kryesore e tillë është tensioni (H). Ai tregon forcën me të cilën fusha magnetike vepron në përcjellësin e provës të përmendur më sipër nëse kjo ndodh në vakum. Vakum ka për qëllim të përjashtojë ndikimin e mjedisit, prandaj kjo karakteristikë - tension konsiderohet absolutisht i pastër. Njësia e tensionit është amper për metër (a/m). Ky tension shfaqet në një distancë prej 16 cm nga përcjellësi që mban një rrymë prej 1A.
Fuqia e fushës tregon vetëm aftësinë teorike të fushës magnetike. Aftësia reale për të vepruar reflektohet nga një vlerë tjetër, induksioni magnetik (B). Është kjo që tregon forcën reale me të cilën vepron fusha magnetike në një përcjellës me rrymë 1A.
Figura 7.
Nëse një rrymë prej 1A rrjedh në një përcjellës 1 m të gjatë, dhe ai shtyhet (tërhiqet) me një forcë prej 1 N (102 G), atëherë ata thonë se vlera e induksionit magnetik në një pikë të caktuar është saktësisht 1 tesla.
Induksioni magnetik është një sasi vektoriale, përveç vlerës së saj numerike, ka edhe një drejtim, i cili përkon gjithmonë me drejtimin e gjilpërës magnetike të provës në fushën magnetike në studim.
Figura 8.
Njësia e induksionit magnetik është Tesla (TL), megjithëse në praktikë shpesh përdoret njësia më e vogël e Gausit: 1TL = 10,000G. A është shumë apo pak? Fusha magnetike pranë një magneti të fuqishëm mund të arrijë disa Tesla, afër gjilpërës së busullës magnetike jo më shumë se 100 Gauss, fusha magnetike e Tokës afër sipërfaqes është afërsisht 0.01 Gauss dhe madje edhe më e ulët.
Vektori i induksionit magnetik B karakterizon fushën magnetike vetëm në një pikë të hapësirës. Për të vlerësuar efektin e një fushe magnetike në një hapësirë të caktuar, paraqitet një koncept tjetër: fluksi magnetik (Φ).
Në fakt, ai përfaqëson numrin e linjave të induksionit magnetik që kalojnë nëpër një hapësirë të caktuar, nëpër një zonë: Φ=B*S*cosα. Kjo pamje mund të paraqitet në formën e pikave të shiut: një vijë është një pikë (B), dhe e gjitha së bashku është fluksi magnetik Φ. Kështu lidhen linjat e energjisë magnetike të kthesave individuale të spirales në një fluks të përbashkët.
Figura 9.
Në sistemin SI, njësia e fluksit magnetik është Weber (Wb), një fluks i tillë ndodh kur një induksion prej 1 Tesla vepron në një sipërfaqe prej 1 m2.
Fluksi magnetik në pajisje të ndryshme (motorë, transformatorë, etj.), Si rregull, kalon nëpër një rrugë të caktuar, të quajtur qark magnetik ose thjesht qark magnetik. Nëse qarku magnetik është i mbyllur (bërthama e një transformatori unazor), atëherë rezistenca e tij është e ulët, fluksi magnetik kalon pa pengesa dhe përqendrohet brenda bërthamës. Figura më poshtë tregon shembuj të bobinave me qarqe magnetike të mbyllura dhe të hapura.
Figura 10.
Por bërthama mund të sharrohet dhe të nxirret një pjesë prej saj për të krijuar një hendek magnetik. Kjo do të rrisë rezistencën e përgjithshme magnetike të qarkut, duke reduktuar fluksin magnetik, dhe në përgjithësi induksioni në të gjithë bërthamën do të ulet. Është njësoj si bashkimi i një rezistence të madhe në seri në një qark elektrik.
Figura 11.
Nëse hendeku që rezulton bllokohet me një copë çeliku, rezulton se paralelisht me hendekun është lidhur një seksion shtesë me rezistencë magnetike më të ulët, i cili do të rivendosë fluksin magnetik të shqetësuar. Kjo është shumë e ngjashme me një shunt në qarqet elektrike. Nga rruga, ekziston gjithashtu një ligj për një qark magnetik, i cili quhet ligji i Ohmit për një qark magnetik.
Figura 12.
Pjesa kryesore e fluksit magnetik do të kalojë përmes shuntit magnetik. Është ky fenomen që përdoret në regjistrimin magnetik të sinjaleve audio ose video: shtresa ferromagnetike e shiritit mbulon hendekun në thelbin e kokave magnetike dhe i gjithë fluksi magnetik mbyllet përmes shiritit.
Drejtimi i fluksit magnetik të prodhuar nga spiralja mund të përcaktohet duke përdorur rregullin e dorës së djathtë: nëse katër gishta të zgjatur tregojnë drejtimin e rrymës në spirale, atëherë gishti i madh do të tregojë drejtimin e vijave magnetike, siç tregohet në figurë. 13.
Figura 13.
Në përgjithësi pranohet që linjat magnetike largohen nga poli i veriut dhe hyjnë në jug. Prandaj, gishti i madh në këtë rast tregon vendndodhjen e polit jugor. Mund të kontrolloni nëse kjo është përsëri e vërtetë duke përdorur gjilpërën e busullës.
Si funksionon një motor elektrik?
Dihet se energjia elektrike mund të krijojë dritë dhe nxehtësi dhe të marrë pjesë në proceset elektrokimike. Pasi të keni prezantuar bazat e magnetizmit, mund të flisni për mënyrën se si funksionojnë motorët elektrikë.
Motorët elektrikë mund të jenë të dizajneve, fuqisë dhe parimeve të funksionimit shumë të ndryshëm: për shembull, rrymë direkte dhe alternative, stepper ose komutator. Por me gjithë shumëllojshmërinë e modeleve, parimi i funksionimit bazohet në ndërveprimin e fushave magnetike të rotorit dhe statorit.
Për të prodhuar këto fusha magnetike, rryma kalon nëpër mbështjellje. Sa më e madhe të jetë rryma dhe sa më i lartë të jetë induksioni magnetik i fushës magnetike të jashtme, aq më i fuqishëm është motori. Bërthamat magnetike përdoren për të përmirësuar këtë fushë, kjo është arsyeja pse motorët elektrikë kanë kaq shumë pjesë çeliku. Disa modele të motorëve DC përdorin magnet të përhershëm.
Figura 14.
Këtu, mund të thuhet, gjithçka është e qartë dhe e thjeshtë: kaluam një rrymë përmes një teli dhe morëm një fushë magnetike. Ndërveprimi me një fushë tjetër magnetike bën që ky përcjellës të lëvizë dhe gjithashtu të bëjë punë mekanike.
Drejtimi i rrotullimit mund të përcaktohet nga rregulli i dorës së majtë. Nëse katër gishta të zgjatur tregojnë drejtimin e rrymës në përcjellës dhe linjat magnetike hyjnë në pëllëmbë, atëherë gishti i madh i përkulur do të tregojë drejtimin e përcjellësit që shtyhet jashtë në fushën magnetike.
Elektromagnetizmi është një grup fenomenesh të shkaktuara nga lidhja e rrymave elektrike dhe fushave magnetike. Ndonjëherë kjo lidhje çon në efekte të padëshiruara. Për shembull, rryma që rrjedh nëpër kabllot elektrike në një anije shkakton devijime të panevojshme të busullës së anijes. Megjithatë, energjia elektrike shpesh përdoret qëllimisht për të krijuar fusha magnetike me intensitet të lartë. Një shembull janë elektromagnetët. Ne do të flasim për to sot.
dhe fluksi magnetik
Intensiteti i fushës magnetike mund të përcaktohet nga numri i linjave të fluksit magnetik për njësi sipërfaqe. ndodh kudo ku rrjedh rryma elektrike dhe fluksi magnetik në ajër është proporcional me këtë të fundit. Një rrymë me tela të drejtë mund të përkulet në një spirale. Me një rreze mjaft të vogël të spirales, kjo çon në një rritje të fluksit magnetik. Në këtë rast, forca aktuale nuk rritet.
Efekti i përqendrimit të fluksit magnetik mund të rritet më tej duke rritur numrin e kthesave, domethënë, duke e përdredhur telin në një spirale. E kundërta është gjithashtu e vërtetë. Fusha magnetike e një spirale me rrymë mund të dobësohet duke zvogëluar numrin e rrotullimeve.
Le të nxjerrim një lidhje të rëndësishme. Në pikën e densitetit maksimal të fluksit magnetik (ku ka më shumë vija të fluksit për njësi sipërfaqe), marrëdhënia ndërmjet rrymës elektrike I, numrit të rrotullimeve të telit n dhe fluksit magnetik B shprehet si më poshtë: In është proporcionale në B. Një rrymë prej 12 A që rrjedh nëpër një spirale me 3 rrotullime, krijon saktësisht të njëjtën fushë magnetike si një rrymë prej 3 A që rrjedh nëpër një spirale me 12 rrotullime. Kjo është e rëndësishme të dihet kur zgjidhen probleme praktike.
Solenoid
Një spirale e telit të plagosur që krijon një fushë magnetike quhet solenoid. Telat mund të rrotullohen rreth hekurit (bërthamë hekuri). Një bazë jo magnetike (për shembull, një bërthamë ajri) është gjithashtu e përshtatshme. Siç mund ta shihni, ju mund të përdorni më shumë sesa thjesht hekur për të krijuar fushën magnetike të një spirale që mbart rrymë. Për sa i përket madhësisë së fluksit, çdo bërthamë jomagnetike është e barabartë me ajrin. Kjo do të thotë, marrëdhënia e mësipërme që lidh rrymën, numrin e kthesave dhe fluksin plotësohet mjaft saktë në këtë rast. Kështu, fusha magnetike e një spirale me rrymë mund të dobësohet nëse zbatohet ky parim.
Përdorimi i hekurit në solenoid
Për çfarë përdoret hekuri në një solenoid? Prania e tij ndikon në fushën magnetike të mbështjelljes së rrymës në dy mënyra. Ajo rrit rrymën, shpesh mijëra herë ose më shumë. Megjithatë, kjo mund të shkelë një marrëdhënie të rëndësishme proporcionale. Po flasim për atë që ekziston midis fluksit magnetik dhe rrymës në mbështjellje me një bërthamë ajri.
Rajonet mikroskopike në hekur, domenet (më saktë, ato ndërtohen në një drejtim nën veprimin e një fushe magnetike që krijohet nga një rrymë. Si rezultat, në prani të një bërthame hekuri, kjo rrymë krijon një fluks magnetik më të madh për Njësia e prerjes tërthore të telit Kështu, densiteti i fluksit rritet ndjeshëm, kur të gjitha fushat rreshtohen në të njëjtin drejtim, një rritje e mëtejshme e rrymës (ose numri i rrotullimeve në spirale) rrit pak densitetin e fluksit.
Tani le të flasim pak për induksionin. Kjo është një pjesë e rëndësishme e temës që na intereson.
Induksioni i fushës magnetike të një spiraleje aktuale
Megjithëse fusha magnetike e një solenoidi me bërthamë hekuri është shumë më e fortë se fusha magnetike e një solenoidi me bërthamë ajri, madhësia e saj është e kufizuar nga vetitë e hekurit. Teorikisht nuk ka asnjë kufi për madhësinë që krijohet nga spiralja e bërthamës së ajrit. Megjithatë, përgjithësisht është shumë e vështirë dhe e kushtueshme për të marrë rrymat e mëdha të nevojshme për të prodhuar një fushë të krahasueshme në madhësi me atë të një solenoidi me bërthamë hekuri. Ju nuk duhet të shkoni gjithmonë në këtë rrugë.
Çfarë ndodh nëse ndryshoni fushën magnetike të një spiraleje që mban rrymë? Ky veprim mund të krijojë një rrymë elektrike në të njëjtën mënyrë që një rrymë krijon një fushë magnetike. Kur një magnet i afrohet një përcjellësi, linjat magnetike të forcës që kalojnë përcjellësin nxisin një tension në të. Polariteti i tensionit të induktuar varet nga polariteti dhe drejtimi i ndryshimit të fluksit magnetik. Ky efekt është shumë më i fortë në një spirale sesa në një kthesë individuale: është proporcional me numrin e kthesave në dredha-dredha. Në prani të një bërthame hekuri, voltazhi i induktuar në solenoid rritet. Me këtë metodë, është e nevojshme të lëvizni përcjellësin në lidhje me fluksin magnetik. Nëse përcjellësi nuk kalon linjat e fluksit magnetik, nuk do të ketë tension.
Si marrim energji?
Gjeneratorët elektrikë prodhojnë rrymë bazuar në të njëjtat parime. Në mënyrë tipike magneti rrotullohet midis mbështjelljeve. Madhësia e tensionit të induktuar varet nga madhësia e fushës së magnetit dhe shpejtësia e rrotullimit të tij (ato përcaktojnë shpejtësinë e ndryshimit të fluksit magnetik). Tensioni në një përcjellës është drejtpërdrejt proporcional me shpejtësinë e fluksit magnetik në të.
Në shumë gjeneratorë, magneti zëvendësohet nga një solenoid. Për të krijuar një fushë magnetike në një spirale me rrymë, solenoidi lidhet me Sa do të jetë fuqia elektrike e gjeneruar nga gjeneratori në këtë rast? Është e barabartë me produktin e tensionit dhe rrymës. Nga ana tjetër, marrëdhënia midis rrymës në një përcjellës dhe fluksit magnetik lejon që fluksi i krijuar nga një rrymë elektrike në një fushë magnetike të përdoret për të prodhuar lëvizje mekanike. Mbi këtë parim funksionojnë motorët elektrikë dhe disa instrumente matëse elektrike. Sidoqoftë, për të krijuar lëvizje në to është e nevojshme të shpenzoni energji elektrike shtesë.
Fusha të forta magnetike
Aktualisht, duke përdorur atë është e mundur të merret një intensitet i paparë i fushës magnetike të një spirale me rrymë. Elektromagnetët mund të jenë shumë të fuqishëm. Në këtë rast, rryma rrjedh pa humbje, d.m.th., nuk shkakton ngrohjen e materialit. Kjo lejon që tensionet e larta të aplikohen në solenoidet e bërthamës së ajrit dhe shmang kufizimet e shkaktuara nga efekti i ngopjes. Një fushë e tillë magnetike e fuqishme e një spirale që mbart rrymë hap perspektiva shumë të mëdha. Elektromagnetët dhe aplikimet e tyre janë me interes për shumë shkencëtarë për arsye të mirë. Në fund të fundit, fusha të forta mund të përdoren për të lëvizur në një levitacion magnetik dhe për të krijuar lloje të reja të motorëve elektrikë dhe gjeneratorëve. Ata janë të aftë për fuqi të lartë me kosto të ulët.
Energjia e fushës magnetike të një spirale aktuale përdoret në mënyrë aktive nga njerëzimi. Është përdorur gjerësisht për shumë vite, veçanërisht në hekurudha. Tani do të flasim për mënyrën sesi linjat e fushës magnetike të një mbështjelljeje me rrymë përdoren për të rregulluar lëvizjen e trenave.
Magnet në hekurudha
Hekurudhat zakonisht përdorin sisteme në të cilat elektromagnetët dhe magnetët e përhershëm plotësojnë njëri-tjetrin për siguri më të madhe. Si funksionojnë këto sisteme? E forta është ngjitur afër hekurudhës në një distancë të caktuar nga semaforët. Ndërsa treni kalon mbi magnet, boshti i magnetit të përhershëm të sheshtë në kabinën e shoferit rrotullohet përmes një këndi të vogël, pas së cilës magneti mbetet në pozicionin e ri.
Rregullimi i trafikut në hekurudhë
Lëvizja e një magneti të sheshtë shkakton një zile alarmi ose sirenë. Pastaj ndodh e mëposhtme. Pas disa sekondash, kabina e shoferit kalon mbi elektromagnet, i cili është i lidhur me semaforin. Nëse ai i jep trenit dritën jeshile, atëherë elektromagneti merr energji dhe boshti i magnetit të përhershëm në makinë rrotullohet në pozicionin e tij origjinal, duke fikur sinjalin në kabinë. Kur semafori është i kuq ose i verdhë, elektromagneti fiket, dhe më pas pas një vonese të caktuar freni zbatohet automatikisht, përveç nëse, sigurisht, shoferi ka harruar ta bëjë këtë. Qarku i frenave (si dhe sinjali i zërit) lidhet me rrjetin që nga momenti i rrotullimit të boshtit të magnetit. Nëse magneti kthehet në pozicionin e tij origjinal gjatë vonesës, frena nuk futet.
A e dinit
Çfarë është një eksperiment mendimi, eksperiment gedanken?
Kjo është një praktikë inekzistente, një përvojë e botës tjetër, një imagjinatë e diçkaje që nuk ekziston në të vërtetë. Eksperimentet e mendimit janë si ëndrrat e zgjuara. Ata lindin monstra. Ndryshe nga një eksperiment fizik, i cili është një test eksperimental i hipotezave, një "eksperiment mendimi" zëvendëson në mënyrë magjike testimin eksperimental me përfundime të dëshiruara që nuk janë testuar në praktikë, duke manipuluar ndërtime logjike që në fakt shkelin vetë logjikën duke përdorur premisa të paprovuara si të vërtetuara, që është, me zëvendësim. Kështu, detyra kryesore e aplikantëve të "eksperimenteve të mendimit" është të mashtrojnë dëgjuesin ose lexuesin duke zëvendësuar një eksperiment të vërtetë fizik me "kukullën" e tij - arsyetim fiktiv me lirim me kusht pa vetë verifikimin fizik.
Mbushja e fizikës me "eksperimente mendimi" imagjinare ka çuar në shfaqjen e një tabloje absurde, surrealiste dhe konfuze të botës. Një studiues i vërtetë duhet të dallojë të tilla "mbështjellës karamele" nga vlerat reale.
Relativistët dhe pozitivistët argumentojnë se "eksperimentet e mendimit" janë një mjet shumë i dobishëm për testimin e teorive (gjithashtu që dalin në mendjet tona) për konsistencë. Në këtë ata mashtrojnë njerëzit, pasi çdo verifikim mund të kryhet vetëm nga një burim i pavarur nga objekti i verifikimit. Vetë aplikanti i hipotezës nuk mund të jetë një test i deklaratës së tij, pasi vetë arsyeja për këtë deklaratë është mungesa e kontradiktave në deklaratë të dukshme për aplikantin.
Këtë e shohim në shembullin e SRT dhe GTR, të cilat janë kthyer në një lloj feje që kontrollon shkencën dhe opinionin publik. Asnjë sasi faktesh që i kundërshtojnë ato nuk mund të kapërcejë formulën e Ajnshtajnit: "Nëse një fakt nuk korrespondon me teorinë, ndrysho faktin" (Në një version tjetër, "A nuk korrespondon fakti me teorinë? - Aq më keq për faktin ”).
Maksimumi që mund të pretendojë një "eksperiment mendimi" është vetëm konsistenca e brendshme e hipotezës brenda kornizës së logjikës së vetë aplikantit, shpesh aspak të vërtetë. Kjo nuk kontrollon përputhshmërinë me praktikën. Verifikimi real mund të bëhet vetëm në një eksperiment fizik aktual.
Një eksperiment është një eksperiment sepse nuk është një përsosje e mendimit, por një provë e mendimit. Një mendim që është në përputhje me vetveten nuk mund të verifikojë vetveten. Këtë e vërtetoi Kurt Gödel.
§ 45. Vetëinduksioni. Induktiviteti
Nëse mbyllni dhe hapni qarkun aktual të spirales (Fig. 45), atëherë një fushë magnetike do të shfaqet dhe do të zhduket rreth saj. Fusha magnetike në ndryshim i kalon kthesat e vetë bobinës dhe krijon p.sh. d.s. vetëinduksioni. Me çdo ndryshim në fushën magnetike të vetë spirales, kthesat e saj kryqëzohen me linjat e tyre magnetike dhe në të shfaqet një valë elektronike. d.s. vetëinduksioni.
Nëse në një spirale me numrin e kthesave W ndryshimi i rrjedhave të rrymës I, atëherë krijon një fluks magnetik Φ që kalon kthesat e tij.
Prodhimi i fluksit magnetik dhe numri i rrotullimeve quhet lidhja e fluksit dhe shënohet me shkronjën ψ (psi):
ψ = Φ W. (39)
Lidhja e fluksit ψ, si fluksi magnetik Φ, matet në veber ( wb).
Lidhja e fluksit në spiralen në shqyrtim është proporcionale me rrymën që rrjedh nëpër kthesat e saj. Kjo është arsyeja pse
ψ = L I, (40)
Ku L- koeficienti i proporcionalitetit, i quajtur induktivitet.
Nga formula (40) rrjedh se induktiviteti përcaktohet nga raporti i lidhjes së fluksit me forcën aktuale në spirale dhe karakterizon aftësinë e spirales për të ngacmuar energjinë elektrike. d.s. vetëinduksioni (lidhja e fluksit).
Induktiviteti matet në henry (H); 1 gn = 1 om sek. Nëse, me një ndryshim uniform të rrymës në përcjellës me 1 A në 1 sek i nxitur e. d.s. vetë-induksion i barabartë me 1 V, atëherë një përcjellës i tillë ka një induktancë prej 1 gn. Një njësi më e vogël e induktivitetit quhet millihenry ( i menjëhershëm); 1 gn = 1000 i menjëhershëm. Njësia e induktivitetit që është një milion herë më e vogël se një henri quhet mikrohenri ( μgn); 1 gn = 1 000 000 μgn = 10 6 mcg n; 1 i menjëhershëm = 1000 μgn.
Le të përcaktojmë induktivitetin e një spirale me gjatësi l, që ka kthesa të vendosura në një shtresë përmes së cilës rrjedh rryma I(gjatësia e spirales është 10 herë ose më shumë se diametri).
Rryma që rrjedh nëpër kthesat e spirales ngacmon një fushë magnetike, intensiteti i së cilës
dhe induksioni magnetik
Fluksi magnetik i krijuar nga rryma është
dhe lidhja e fluksit
ψ = Φ W.
Që nga induktiviteti
Duke transformuar shprehjen (42), marrim induktivitetin:
Kështu, induktanca e një spirale është drejtpërdrejt proporcionale me katrorin e numrit të kthesave të saj, përshkueshmërinë magnetike të materialit të bërthamës së spirales, zonën e seksionit kryq të kornizës së saj dhe në përpjesëtim të kundërt me gjatësinë e spirales.
Shembull. 500 kthesa teli janë mbështjellë në një shtresë në një cilindër kornizë pa bërthamë. Gjatësia e kornizës së rrotullës l = 0,24 m, dhe diametri i tij d = 0,02 m. Përcaktoni induktivitetin e kësaj bobine nëse përshkueshmëria magnetike e ajrit që rrethon spiralen është μ a = μ 0 = 4π · 10 -7 g/m.
Zgjidhje . Zona e prerjes tërthore të spirales
Induktiviteti i spirales
Bobina të ndryshme teli (mbështjellje) kanë induktancë të ndryshme. Një spirale me një bërthamë çeliku ka induktivitet dukshëm më të lartë se një spirale pa bërthamë. Nëse marrim si një induktivitetin e një spirale teli pa bërthamë, atëherë një spirale me një bërthamë çeliku do të ketë një induktivitet afërsisht 3500 herë më të madh. Kjo shpjegohet me faktin se kur një bërthamë çeliku futet në një spirale përmes së cilës rrjedh rryma, bërthama magnetizohet, si rezultat i së cilës fluksi magnetik që kalon kthesat e spirales rritet ndjeshëm dhe lidhja e fluksit rritet. Meqenëse përshkueshmëria magnetike relative e bërthamës së çelikut është afërsisht 3500 herë më e madhe se ajo e ajrit, induktiviteti i spirales rritet me të njëjtin faktor kur shtohet bërthama. Por kjo induktancë nuk është konstante, pasi μ a çeliku varet nga forca e fushës N, dhe rrjedhimisht, në forcën aktuale në dredha-dredha.
Induktiviteti i spirales përcaktohet gjithashtu nga seksioni kryq dhe gjatësia e tij. Sa më i madh të jetë seksioni kryq, aq më i madh është induktiviteti. Ndërsa gjatësia e spirales rritet dhe numri i kthesave mbetet konstant, induktiviteti zvogëlohet.
