Как взаимодействуют катушки с токами: Как взаимодействуют катушки с токами

Как взаимодействуют катушки с токами

Задаю просто супер странный вопрос. Смотрите. 1 кубометр воздуха весит 1.293кг. Но тогда почему мы, вдыхая воздуха, остаёмся на плаву, если должны нао … борот тонуть? Ответ давайте полный и с доказательствами.

7класс физика помогите !!! 1. Гоночная машина летит со скоростью 360 км / ч. А скорость вращения Земли вокруг Солнца в 300 раз выше. На основании этих … данных найдите длину орбиты Земли. 3. Какова скорость реки, если грузовое судно проходит определенное расстояние по реке со скоростью 600 км / сутки, а против агаски – со скоростью 336 км / сутки? ​

Зроби висновок про швидкість тіла під час рівномірного прямолінійного руху.​

Під час обчислення якої величини фізичне тіло можна вважати матеріальною точкою?1.Висоти,на яку піднявся стратостат.2.Об’єму залізної кульки.3.швидкос … ті руху Нептуна навколо Сонця.4.часу,за який мандрівник здійснив навколосвітню подорож.5.відстані,яку подолала людина під час подорожі навколо Землі.

​

Определите общее сопротивление цепи, изображенной на рисунке. сопротивления резисторов равны соответственно R1 = 1 Ом, R2 = 3 Ом, R3 = 4 Ом и R4 = 6 О … м.

при переливание жидкости из сосуда с пределом измерения 200мл в мензурку пределом измерений 100 мл объем жидкости​

Проволока длиной 400 см и сечением 0,5мм2 имеет сопротивление 10,4 ом. Определить питомний сопротивление вещества.(Дріт довжиною 400 см і перетином 0, … 5мм2 має опір 10,4 ом. визначити питомний опір речовини-перевод на укр.язык.) Помогите пожалуйста.​

визначте об’єм тіла яке піднімають на висоту 2м прикладаючи роботу 360000 дж густина тіла 8000 кг/м3

помогите пожалуйста разобраться!!!!​

Заключительный этап 2019 г. Задача 4. Мост В электрической цепи, содержащей источник постоянного тока I на двух одинаковых резисторах выделяется мощно … сть P = 0,5 Вт, а на двух других мощности 2P и Px. При этом, через идеальный ампер- метр протекает ток силой IA = 25 мА.

Определите значение мощности Px, сопротивления всех резисторов и напряжения на них. Найдите значение I источника.2P P Примечание: источником постоянного тока называют активный элемент электрической цепи, через который протекает ток силой I, при подклю- чении к нему резисторов с различными в широком диапазоне сопротивле- ниями.

Как взаимодействуют две катушки с током

Исследуя взаимодействие катушек, по которым текут токи, друг с другом и с постоянными магнитами, Ампер заметил, что торцы катушек с токами подобны полюсам магнита (см. рис. 12.5).

При изменении направления тока в катушке ее «северный» и «южный» магнитные полюса «меняются местами», как изображено на рис. 12.6.

Два круговых тока одного направления притягиваются, а противоположного направления — отталкиваются. Вместо круговых токов для этого опыта лучше взять многовитко- вые катушки, бифилярно подвешенные на подставку так, что их плоскости параллельны друг другу (рис. 5.5).

Сверху имеется пластина из гетинак- са, которая может быть повернута либо горизонтально, либо вертикально. В первом случае две катушки оказываются несколько отодвинуты друг от друга, во втором — они находятся рядом друг с другом.

Рубильник на два положения является одновременно коммутатором, позволяющим устанавливать в катушках токи одного или встречного направления. Когда токи параллельны, катушки, первоначально отодвинутые друг от друга, сильно притя- Рис — 5-5. Опыте двумя

гиваются и слипаются. Во втором катушками

случае, когда токи встречные, катушки, находящиеся рядом, отскакивают друг от друга и начинают интенсивно качаться, периодически сталкиваясь друг с другом.

Опыт напоминает демонстрацию силовых линий электрического поля с помощью манной крупы в касторовом масле. Но в данном случае все получается чище и проще. Берут стеклянные пластинки

(можно из оргстекла) размером

9х13 см, сквозь которые проходит толстый медный проводдиаметром 1,0—1,5 мм, образующий прямой проводник, кольцо или соленоид (последний изображен на рис. 5.6). Прямой провод длиной 3-4 см входит в пластинку. Один конец провода отгибают в одну сторону, другой — в другую сторону. В этом случае отогнутые концы не влияют на конфигурацию магнитного поля прямого проводника. Кольцо диаметром 5 см и соленоид располагаются так, что стеклянная пластинка находится в их средней плоскости.

Рис. 5.6. Соленоид на кодоскопе

Демонстрация проводится в затемненной аудитории с помощью кодоскопа, проецирующего изображение на большой экран. На стеклянную пластинку насыпают мелкие железные опилки так, чтобы они равномерно распределились по поверхности. Включают ток

Рис. 5.7. Магнитное поле соленоида

(20-25 А) и постукиванием по пластинке пальцем или стеклянной палочкой добиваются четкой картины силовыхлиний магнитного поля (рис. 5.7). После образования цепочек из опилок ток надо выключить, чтобы не перегревать источник.

Аналогично получают картины магнитного поля от прямого провода и кольца.

Взаимодействие — катушка

Так как бесконечно длинные проводники ничтожно малого сечения практически невыполнимы, то в реальных условиях эталон силы тока воспроизводится по измерению силы взаимодействия катушек с током ( на так называемых токовых весах), а затем вводятся теоретические поправки, учитывающие размеры и форму проводников. [31]

Теория о взаимодействии витка и металла служит отправной базой при построении более общей теории для катушек любых типов, использующей физическую картину взаимодействия катушки с металлом и понятие о коэффициенте рассеяния. [32]

Так как проводники бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения практически невыполнимы, то в реальных условиях эталон силы тока воспроизводится по измерению силы взаимодействия катушек с током ( на так называемых токовых весах), а затем вводятся теоретические поправки, учитывающие размеры и форму проводников. [33]

Если оси катушек параллельны, например при горизонтальном расположении фаз ( см. рис. 18.2, в), производная дМ / дх относительно мала и силы взаимодействия катушек значительно меньше, чем при вертикальном расположении. Направление намотки катушек не влияет на электродинамическую стойкость трехфазного комплекта, так как силы взаимодействия направлены всегда перпендикулярно осям катушек. [35]

Неподвижные катушки применяются в приоорах электромагнитной, электродинамической, ферродинамической и индукционной систем.

Взаимодействие катушек друг с другом, катушки и сердечника, катушки и рамки позволяет преобразовать измеряемую величину в перемещение указателя измерительного прибора. [37]

Две катушки, по которым текут токи, взаимодействуют между собой с определенной силой. Как изменится сила взаимодействия катушек , если обе катушки свободно надеть на общий замкнутый железный сердечник. [38]

Электро-пневмопреобразователь типа ЭПП-М построен также на принципе компенсаций усилий. Усилия, возникающие в результате взаимодействия катушки с током и полем постоянного магнита, компенсируются усилием, создаваемым элементом обратной связи типа сопло-шарик. Индикатор рассогласования представляет собой элемент типа сопло-шарик, где контакт шарика осуществляется на острой кромке седла. [40]

Отсюда видно, что значение тока будет определено, если измерить силу F механического взаимодействия двух катушек, имеющих известные размеры. Ампервесы позволяют это сделать путем уравновешивания силы взаимодействия катушек гирями.

В ампервесах осуществляется прямое сопоставление тока с единицами длины ( измерение размеров катушки), единицами массы ( гири) и единицей времени, поскольку сила F вычисляется по массе гирь и по значению ускорения земного тяготения, в формулу которого входит время. [41]

Магнитоэлектрические приборы состоят из двух основных частей: постоянного магнита и катушки. Работа измерительного механизма магнитоэлектрических приборов основана на взаимодействии катушки с током и магнитного поля постоянного магнита. По своей конструкции они разделяются на приборы с подвижной катушкой и приборы с подвижным магнитом. Приборы с подвижной катушкой выполняются с внешним или внутренним магнитом. [42]

Предположим, что рукоятку контроллера перевели на следующую позицию. Какое-то мгновение напряжение ВГ увеличивается, увеличивается и сила взаимодействия катушек . [43]

При включении прибора в цепь по катушкам проходит ток и возникающие магнитные поля вызывают появление электродинамической силы, которая стремится повернуть подвижную систему так, чтобы магнитные поля обеих катушек совпадали по направлению. Если допустить, что по катушкам прибора проходят одинаковые токи, то сила взаимодействия катушек ( и вращающий момент) будет пропорциональна квадрату тока: F KI2 — Поэтому электродинамические амперметры имеют неравномерную шкалу. [45]

Магнитное поле катушки с током — урок. Физика, 8 класс.

Практический интерес представляет собой магнитное поле катушки с током.

Катушка получится, если плотно, виток к витку, намотать провод в достаточно длинную спираль (рис. 1). В катушке может быть несколько десятков, сотен или даже тысяч витков.

Соленоид (от греч. solen — «канал», «труба» и eidos — «подобный») — разновидность катушки с током. Обычно под термином «соленоид» подразумевается цилиндрическая обмотка из провода, причём длина такой обмотки многократно превышает её диаметр.

 

Рис. 1. Изображение катушки

 

Рассмотрим рисунок 2. Мы видим цепь, состоящую из источника тока, реостата и катушки. Катушка содержит большое число витков провода. При протекании тока по цепи железные опилки притягиваются к торцу катушки. А если тока нет, то притяжение не наблюдается.

 

Рис. 2. Изображение цепи с катушкой, реостатом и источником тока

 

Если катушка в этом опыте будет подвешена на проводах, то при протекании тока в цепи, она установится в пространстве строго определённым образом. Точно так же, как и магнитная стрелка компаса (в направлении север — юг).

Это наблюдение позволяет сделать вывод, что катушка с током тоже имеет магнитные полюсы (рис. 3).

 

Рис. 3. Изображение катушки, подвешенной на проводах с током

 

Логично предположить, что у катушки магнитное поле тоже имеется. Для доказательства можно воспользоваться железными опилками  (рис. 4).

 

Рис. 4. Изображение катушки с железными опилками

 

Железные опилки располагаются, образуя замкнутые кривые.

За направление линий магнитного поля принято направление от северного полюса катушки к южному (вне катушки с током).

 

Сила магнитного поля постоянного магнита невелика. Другое дело – электромагнит. Сила магнитного поля электромагнита можно изменяться. Ее можно увеличивать или уменьшать. Основная часть любого электромагнита – катушка с намотанным на нее проводом. Рассмотрим опыт, изображенный на рисунке 2. По виткам катушки протекает ток, и она притягивает к себе железные предметы (так проявляется магнитное действие тока). Если увеличить количество витков в катушке, не меняя силу тока в ней, то ее магнитное действие усилится, о чем свидетельствует увеличение количества притягиваемых предметов.

 

Физическая величина, характеризующая магнитные свойства катушки с током, связана линейной зависимостью с числом витков в ней.

На рисунке \(5\) показан электрический контур, позволяющий экспериментально выявить взаимосвязь между силой тока и действием магнитного поля катушки.

Действие магнитного поля катушки с током прямо пропорционально силе тока.

 

Рис. 5. Изображение цепи с реостатом, ключом, катушкой и источником тока

  

Усиление магнитного поля произойдёт при использовании железного сердечника (рис. 6).

Сердечник — металлический стержень для усиления мощности электромагнита.

Сердечник, введённый внутрь катушки с током, усиливает магнитное действие катушки.

 

Рис. 6. Изображение цепи с реостатом, ключом, катушкой с железным сердечником и источником тока

 

Направление магнитного поля тока связано с направлением тока в катушке.

Определить направление линий магнитного поля катушки с током можно при помощи правила правой руки, или правила правого буравчика.

 

Принято считать, что та сторона катушки или витка с током, откуда линии магнитного поля выходят, — это и есть северный магнитный полюс (\(N\)), а сторона, куда линии входят, — это южный магнитный полюс (\(S\)) (рис. 7).

 

Рис. 7. Изображение катушки и магнитных полюсов

Источники:

Рис. 1. Указание авторства не требуется: Трансформатор Спираль Власть Технология, https://pixabay.com/images/id-5508211/, 2020-08-23, бесплатно для коммерческого использования.
Рис. 2. Указание авторства не требуется: Трансформатор Спираль Власть Технология, https://pixabay.com/images/id-5508211/, 2020-08-23, бесплатно для коммерческого использования.
Рис. 3. Указание авторства не требуется: Трансформатор Спираль Власть Технология, https://pixabay.com/images/id-5508211/, 2020-08-23, бесплатно для коммерческого использования.

Рис. 4. Изображение катушки с железными опилками. © ЯКласс.

Рис. 5. Изображение цепи с реостатом, ключом, катушкой и источником тока. © ЯКласс.

Рис. 6. Изображение цепи с реостатом, ключом, катушкой с железным сердечником и источником тока. © ЯКласс.

Рис. 7. Изображение катушки и магнитных полюсов. © ЯКласс.

Как взаимодействуют параллельные токи

Если пропустить через проводник электрический ток, вокруг него возникнет магнитное поле. Расположив рядом второй проводник с током, можно заставить магнитное поле первого проводника механически действовать на второй, и наоборот.

Характер взаимодействия двух параллельных проводников с током зависит от направления тока в каждом из них. При одинаковом направлении токов проводники отталкиваются, при противоположном – притягиваются. Сила, с которой проводники действуют друг на друга, определяется законом Ампера и зависит от следующих параметров: длины проводников l, расстояния между ними R, токов в них I₁ и I₂.

Помимо переменных, в формуле для рассчета силы взаимодействия проводников с током участвует и константа – магнитная постоянная, обозначаемая μ₀. Она равна 1,26*10^-6 и является безразмерной величиной. Умножьте токи в проводниках друг на друга, а затем на магнитную постоянную и на длину проводников. Результат поделите на произведение расстояния между проводниками на 2π. Если токи взяты в амперах, а длина и расстояние – в метрах, сила получится в ньютонах:

F=(μ₀I₁I₂l)(2πR) [Н]

Подставьте в эту формулу токи, длины и расстояния, достижимые в реальных условиях (например, несколько ампер и несколько миллиметров), и вы убедитесь, что даже при значительных токах сила взаимодействия одиночных проводников мала. На практике для получения значительных сил взаимодействия при малых токах увеличивают количество параллельно расположенных проводников, ток в которых идет в одном направлении. Катушка с током представляет собой множество таких проводников, соединенных последовательно. Две катушки при тех же токах взаимодействуют значительно сильнее, чем два одиночных проводника, ведь сила умножается на количество витков.

Дополнительного увеличения силы взаимодействия можно добиться, снабдив катушки ферромагнитными сердечниками. Они характеризуются параметром, называемым магнитной проницаемостью. Это тоже безразмерная величина. Следует отметить, что оба приема не нарушают закона сохранения энергии. Ведь сила – не мощность. В статическом состоянии сила не производит работу, а вся мощность, потребляемая электромагнитом, полностью рассеивается в виде тепла. Именно поэтому электромагнит, потребляющий несколько ватт, способен предотвращать открывание двери усилием до 20 тысяч ньютонов. В динамическом же состоянии, когда ток через электромагнит меняет силу или даже направление, механическая мощность на выходе всегда меньше электрической на входе, а разница между ними также уходит на нагрев.

Взаимодействие – магнитные поля – катушка

Взаимодействие – магнитные поля – катушка

Cтраница 1

Взаимодействие магнитных полей катушек с полями постоянных магнитов оздает усилие, направленное на устранение весового разбаланса коромысла.  [1]

Этот ток, проходя по обмоткам катушек, установленных на обеих платформах, приводит к появлению действующей на образец силы вследствие взаимодействия магнитных полей катушек и установленного на основании прибора постоянного магнита. На торцах катушек укреплены медные пластины, обеспечивающие гашение вихревых токов.  [2]

Измерительный механизм ьшнитоэлектрической системы – измерительный механизм, состоящий из неподвижного постоянного магнита и подвижной катушки с током, движение ( угол поворота) которой обусловлено взаимодействием магнитных полей катушки и постоянного магнита.  [3]

Постоянный ток, протекающий по обмоткам катушек 3, создает в них магнитное поле. Взаимодействие магнитных полей катушек с полями постоянных магнитов создает усилие, направленное на устранение весового разбаланса коромысла. Ток, протекающий по обмотке измерительного механизма ИП, является мерой разности массы груза и гирь. Возможность непрерывной автоматической регистрации приращений массы образца во времени позволяет использовать весы для решения широкого круга задач гравиметрического и термогравиметрического анализов.

 [4]

Неподвижную катушку включают в цепь последовательно, а внутреннюю, подвижную – параллельно. При взаимодействии магнитных полей катушек подвижная катушка поворачивается вместе с укрепленной на ней указательной стрелкой. Неподвижная катушка, называемая токовой, создает магнитное поле, которое прямо пропорционально силе тока цепи. Подвижная катушка создает магнитное поле, которое прямо пропорционально напряжению цепи, и поэтому называется катушкой напряжения.  [6]

В результате взаимодействия магнитных полей катушки 13 и магнита 12 прекращается перемещение рычажной системы.  [8]

Принцип действия измерительных механизмов электродинамической системы основан на взаимодействии двух магнитных потоков, создаваемых токами, протекающими по двум катушкам, одна из которых подвижна. В результате взаимодействия магнитных полей катушек и противодействующих пружин подвижная катушка поворачивается на некоторый угол, пропорциональный токам в катушках.  [10]

Терморезистор R изменяет свое сопротивление в зависимости от температуры и тем самым регулирует величину тока в катушке HI. Поскольку величина тока в катушках К2 и КЗ не изменяется, то положение стрелки зависит от взаимодействия магнитных полей катушек К2 и КЗ с магнитным полем катушки К1, изменяющим свою величину. Результирующее поле катушек, взаимодействуя с полем постоянного магнита 4, связанного со стрелкой, устанавливает стрелку в соответствующее положение.  [11]

В принципе работы приборов непосредственной оценки используются физические процессы, создающие вращающий момент и перемещение подвижной системы прибора. Вращающий момент может быть создан взаимодействием магнитного поля постоянного м агнита и тока в катушке, магнитного поля катушки с током и ферромагнетика, взаимодействием магнитных полей катушек с токами, магнитных полей с индукционными токами, взаимодействием заряженных тел и др. В зависимости от природы физического взаимодействия, происходящего в измерительном механизме прибора, электроизмерительные приборы делятся на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, индукционные, электростатические, термоэлектрические, детекторные, вибрационные.  [12]

Подвижной может быть как внешняя, так и внутренняя катушка, но обычно неподвижной делают внешнюю, а подвижной – внутреннюю, на которой и закрепляют модулирующий элемент. По одной из катушек пропускают постоянный ток, а по другой – переменный. Момент, возникающий в результате взаимодействия магнитных полей катушек, меняет свой знак одновременно с изменением направления тока в одной из катушек.  [13]

Страницы:      1

Урок по теме “Магнитное поле катушки с током. Электромагнит”

Ход урока

Учитель: Здравствуйте ребята и уважаемые гости. На прошлом занятии мы вспомнили с вами, что магнитное поле порождается электрическим током. А также оно возникает и вокруг постоянных магнитов, и также движущихся электрических зарядов. Дайте, пожалуйста, определение магнитного поля. (Выслушивается ответ ученика).

Вызываю к доске 4 учеников для выполнения домашнего задания, а в это время с остальными проводится фронтальный опрос:

1. В чем заключался опыт Эрстеда, проведенный в 1820г?

2. Почему для изучения магнитного поля можно использовать железные опилки?

3. Как располагаются железные опилки в м.поле прямого тока?

4. Что называют магнитными линиями магнитного поля?

5. Какое направление принимают за направление линий магнитного поля постоянного магнита?

6. Зависит ли направление магнитных линий от направления электрического тока в проводнике?

7. Сформулируйте правило правой руки для прямого тока.

8. Мы знаем с вами, что компас применяется для ориентирования на местности. Свободно вращающаяся вокруг вертикальной оси магнитная стрелка, всегда устанавливается в данном месте Земли в определенном направлении. Этот факт объясняется тем, что вокруг Земли существует магнитное поле

Как вы прокомментируете отрывок из стихотворения португальского писателя Мичела Торга

И были – жажда борьбы и корабельные сосны,

И каравеллами стали сосен стволы.

Они отплывали, ведомы бессонной

Тревогой магнитной иглы.

Как связаны направление магнитной линии и направление свободно установленной магнитной стрелки? О чем идет здесь речь?

Проверяем работы учеников у доски вместе с остальными ребятами. (текст заданий и рисунки см в приложении№1,3)

Объяснение нового материала

На прошлом уроке мы выяснили, что прямой провод с током создает вокруг себя магнитное поле. Но наибольший практический интерес представляет собой магнитное поле катушки с током. Катушка состоит из большого числа витков проволоки, намотанного на деревянный каркас.

Давайте посмотрим следующее взаимодействие

Демонстрации. Подвешивают кольцо для демонстрации магнитного поля кругового тока на нити, включают ток и подносят дугообразный магнит с одной стороны кольца, оно выталкивается или втягивается внутрь магнита.

Демонстрации. Показывают, используя два кольца, подвешивая их на нитях к штативу так, чтобы плоскости колец были параллельны друг другу.

Делаем вывод катушки взаимодействуют. Ведут себя как магниты. Следовательно катушки с током, как и магнитные стрелки, имеют два полюса –северный и южный.

Вокруг катушки с током имеется м.п.

Записываем новую тему: Магнитное поле катушки с током.

Магнитное поле катушки с током можно обнаружить при помощи опилок. Магнитные линии магнитного поля являются замкнутыми кривыми. Принято считать, что вне катушки они направлены от N полюса к S. (документ- камера с соленоидом) или рис в учебнике

Для определения направления этих линий применяют второе правило правой руки: Правой рукой обхватить катушку так, чтобы 4 пальца были направлены по току в витках, тогда большой отставленный палец будет указывать направление линий магнитного поля.

Давайте разберем пару задач на доске, чтобы наглядно представить выполнение этого правила

Дети рисуют в тетрадь

Самостоятельная Работа на местах

1. Определить направление тока в витках.

2. Указать магнитные полюса катушки.

3. Как будет взаимодействовать магнит с проволочным витком с током?

Проверяем работу на экране проектора

Прошу оставить у себя в тетради и дома вклеить.

Катушки с током широко применяют в технике в качестве магнитов. Они удобны тем, что их магнитное действие можно изменять(усиливать или ослаблять) в широких пределах. Давайте мы с вами это и проверим на опыте.

Экспериментальная работа

Перед вами на столе лежит коробочка с лабораторным оборудованием: соблюдая инструкцию, соберем цепь, состоящую из источника питания, реостата, амперметра и катушки. Опишите свои наблюдения.

Вывод: 1. при увеличении тока действие м.п катушки усиливается, при уменьшении-ослабляется.

Когда число металлических скобок наибольшее? При каком условии

N1 меньше N2, N3 больше N1? Значит:

2. Железо, введенное внутрь катушки, усиливает магнитное действие катушки

3. Магнитное действие катушки с током тем сильнее, чембольше число витков в ней

Электромагнит- катушка с железным сердечником внутри. Железо, сталь, никель, кобальт

Соленоид – длинная катушка с током.

Какой результат вы получили, когда разомкнули цепь?

Именно эта особенность, ребята, что магнитные свойства исчезают при прерывании тока, позволила широко применять электромагниты в технике.

На электрических схемах электромагнит изображается таким значком

Техническое применение электромагнитов.

Электромагниты находят широкое применение в технике.

1. На заводах эл. магниты используют для переноски изделий из стали или чугуна, а также стальных и чугунных стружек, слитков.

(Кинофрагмент)

2. Магнитные сепараторы (зерна). Зерно перемешивают с железными опилками, они прилипают к сорнякам, а к гладким зёрнам не прилипают. Зерно высыпают на вращающийся барабан с электромагнитом, к нему притягиваются сорняки. (по рис в учебнике стр 171)

3. Электрический звонок.

При нажатии кнопки цепь звонка замыкается, якорь притягивается к электромагниту и молоточек ударяет по звонковой чаше. При этом контакт с винтом В нарушается, ток в электромагните прекращается и пружина П возвращает якорь в прежнее положение.

(Звонок –на демонстрационном столе) звонок в школе и в квартирах

5.Домофо́н (под этим чаще всего подразумевается Домофонная система — электронная система состоящая из устройств, передающих сигнал от вызывного блока к переговорному устройству.

Один из главных компонентов- Электромеханический замок — представляет собой засов, выдвигаемый с помощью электромагнита

Телеграф

Закрепление учебного материала.

1. Что мы изучили сегодня на уроке?

2. При каких условиях проволочную катушку можно превратить в электромагнит?

3. Перечислите способы усиления магнитного поля катушки с током?

(изменить число витков, силу тока и наличие сердечника)

4. Для каких целей используют магниты на практике?

5. какими преимуществами обладает электромагнит по сравнению с постоянным магнитом? И наоборот

6. Попробуйте вспомнить и сформулировать правило правой руки для катушки с током. Рассмотрим рисунки на слайде и устно прокомментируем их.

Домашнее задание п.59, упр 41. Повторить п.57-60

Приложение№1

№1

На рисунке изображен проволочный прямоугольник, направление тока в нем показано стрелками. Пользуясь правилом буравчика, начертите вокруг каждой из его четырех сторон по одной магнитной линии, указав стрелкой ее направление.

__________________________________________________________________

№4

Ток в проводнике направлен от В к А. Как расположится магнитная стрелка, если замкнуть цепь?

__________________________________________________________________

№5

С магнитной стрелки стерлась синяя и красная краска, которой были покрашены соответственно ее северный и южный полюсы. Чтобы определить полюсы, ее поместили в поле полосового магнита, и она расположилась так, как показано на рисунке. Определите и раскрасьте полюса у стрелки в соответствующие цвета.

__________________________________________________________________

Инструкция для проведения

экспериментальной работы

1. Соберите цепь, подключая последовательно источник питания, амперметр, реостат, катушку.

2. Замкните цепь. С помощью реостата получите в цепи наименьшее значение тока. Запишите показание. I_min =_____

Пронаблюдайте какое количество металлических скобок притянет kатушка, являясь магнитом. Запишите. N₁=____

3. С помощью реостата получите в цепи наибольшее значение тока. Запишите показание. I_max=_____

Пронаблюдайте какое количество металлических скобок притянет в этот раз Катушка. Запишите. N₂=____

4. Не меняя ток в цепи, вставьте в катушку железный стержень. Увеличилось ли значение металлических скобок N₃=___? Измените значение тока, изменилась ли подъемная сила катушки? Что изменится, если вы разомкнете цепь? ______

5. Cделайте общий вывод. Сравните N₁, N₂, N₃

Приложение№3

№1 №2

№3 №4

№5 №6

Укажите направление линий магнитного поля прямого тока

Укажите направление тока в прямом проводе

Взаимодействие магнитов и проводников с токами

2014-05-23

Прямое экспериментальное обнаружение связи между электрическими и магнитными явлениями произошло благодаря счастливой случайности. 1820 датский физик X. Эрстед, читая лекцию о постоянных токи, обратил внимание на то, что магнитная стрелка, находящаяся вблизи проводника, вернулась при включении тока. Так было открыто ориентировочную действие проводника с током на постоянный магнит.

После того как были обнаружены взаимодействия магнитов с магнитами и электрическими токами с магнитами, встал вопрос: пройдет магнитное взаимодействие между электрическими токами?

Положительный ответ на этот вопрос был получен Ампером. Он экспериментально установил, что параллельные проводники с токами взаимодействуют.

Оказалось, что параллельные проводники с токами взаимодействуют друг с другом:

? если токи текут в одном направлении, то проводники притягиваются, а если в противоположных направлениях — то отталкиваются. Взаимодействие проводников с токами используют для определения единицы силы тока, названной в честь Ампера ампер, г Один ампер — это сила такого постоянного тока, который при прохождении через два параллельных прямолинейные бесконечно длинные проводники очень малого сечения, расположенные в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, вызывает между проводниками силу взаимодействия, равную 2.10 -7 Н на каждый метр длины.

Изучив взаимодействие катушек с токами, Ампер обнаружил, что оно напоминает взаимодействие постоянных магнитов: торцы катушек привлекаются или отталкиваются в зависимости от того, как направленные токи в катушках.

3 постоянными магнитами катушки с токами тоже взаимодействуют как магниты: торец катушки привлекается к полюсу магнита или отталкивается от него. Таким образом,

? один торец катушки с током является ее северным полюсом, а другой — южным.

Таким образом, катушка с током по своей магнитной действию подобен магниту.

Взаимодействия между проводниками с током называются магнитными. Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называются магнитными.

категория: Физика Токовая катушка

– обзор

8.4.1 Создание линейных моделей

Мы предполагаем, что смещения плазменного столба малы и осесимметричны, и игнорируем электрическое сопротивление и вязкость плазмы. Другими словами, мы ограничимся рассмотрением идеальной неинерциальной плазмы в рамках классической магнитогидродинамической (МГД) теории. Мы также предполагаем, что плазма устойчива во временном масштабе Альфвена и что наша линейная модель описывает только процессы в масштабе времени, сравнимом с постоянными времени проводящих структур.Наша цель – получить матрицы линейных уравнений (MLE), описывающие поведение плазмы и токов в окружающих проводящих структурах в условиях равновесия. В общем случае интересующая нас эволюция описывается системой нелинейных уравнений в частных производных, а именно уравнением Грэда – Шафранова для равновесия и электротехническими уравнениями для плазмы и токов в цепи. Чтобы решить эту проблему, мы используем численные методы. Для линеаризации используется модель реакции равновесной плазмы со свободной границей на возмущение токов в окружающих проводниках.Здесь мы следуем подходам, описанным в [1, 2].

Чтобы линеаризовать любые уравнения, мы должны определить набор состояний или переменных, которые определяют динамику линейной модели. Положение и изменение формы плазмы зависит от токов в катушках полоидального поля и пассивных цепях.

Поэтому естественно использовать отклонения этих токов относительно начальных (базовых) значений в качестве состояний линейной модели:

(8.1) δIt = It − I0,

, где I ( t ) обозначает токи во времени. t и I ₀ относятся к токам для начальной (базовой) конфигурации ( t = 0).

Динамика токов (состояний) цепи выражается электротехническими уравнениями вида

(8.2) dΨdt + RI = U,

где ψ – вектор полоидального потока, усредненный по сечению цепи, R – матрица сопротивлений цепей, а U – вектор внешних напряжений, приложенных к цепям. В линейном случае вектор ψ может быть выражен как

(8.3) Ψr, z, t≅Ψr0, z0,0 + ∂Ψ (i) ∂I (j) I = I0δI,

где ∂Ψ (i) ∂I (j) I = I0 – матрица с элементами ( I , j ), определяющая отклонение потока в цепи i при единичном отклонении тока в цепи j в момент времени t = 0 .

Принимая во внимание ур. (8.3), линеаризованное уравнение. (8.2) записывается следующим образом:

(8.4) ddt∂Ψi∂IjI = I0δI + RδI = δU,

для описания динамики отклонений тока в цепях δI ( t ).

Поток ψ представляет собой линейную комбинацию потока через контур, ψ _ext , от внешних токов и собственного тока, и потока от плазмы, ψ _p .Значение ψ _p определяется изменениями формы плазмы и собственным током плазмы (здесь и повсюду изменения формы относятся к движению и деформации плазменного столба). В линейном приближении

(8.5) Ψpr, z, t≅Ψpr0, z0,0 + ∂Ψp∂IpI = I0δI + ∂Ψp∂IpI = I0δIp,

где ∂Ψpi∂IjI = I0 – матрица с элементами ( i , j ), который определяет отклонения потока в цепи i из-за изменения формы плазмы при единичном отклонении тока в цепи j в момент времени t = 0, а ∂Ψp∂IpI = I0 – вектор с элементами ( i ), который определяет изменения отклонения потока в цепи i при единичном отклонении плазменного тока в момент времени t = 0.

Из уравнения. Из (8.5) видим, что линейная модель должна включать в себя состояние δI _p – отклонение плазменного тока от начального значения. Тогда уравнение. (8.4) принимает вид

(8.6) ∂Ψexti∂IjI = I0ddtδI + ∂Ψp∂II = I0ddtδI + ∂Ψp∂IpI = I0ddtδIp + RδI = δU,

, где ∂Ψexti∂IjI = I013 – матрица с элементами j ), который определяет отклонение магнитного потока в цепи i при единичном отклонении тока в цепи j в момент времени t = 0 (матрица статической индуктивности).Введем обозначения

L1 = ∂Ψexti∂IjI = I0; L2 = ∂Ψpi∂IjI = I0; Mp = ∂Ψp∂IpI = I0; L3 = L1 + L2

, чтобы получить уравнение. (8.6) образуя

(8.7) L3ddtδI + MpddtδIp + RδI = δU.

Линейная система (8.7) – это на одно уравнение меньше числа состояний. Его следует дополнить уравнением, описывающим изменение тока плазмы δI _p . С этой целью мы предполагаем, в соответствии с теорией МГД, что полоидальный поток «вморожен» в плазму в течение обсуждаемых периодов времени, так что

(8.8) Ψ¯ = 1Ip∫sjΨds = const,

, где j – распределение тока плазмы, а S – поперечное сечение плазменного столба. Мы линеаризуем уравнение. (8.8) относительно состояний δI и δI _p и получаем

(8.9) ∂Ψ¯∂IδI + ∂Ψ¯∂IpδIp = 0,

или

(8.10) δIp = −∂Ψ¯∂IδI / ∂Ψ¯∂Ip.

Путем подстановки Ур. (8.10) в уравнение. (8.7) последнее принимает вид

(8.11) L ∗ ddtδI + RδI = δU,

, где L ∗ = L3 − Mp (∂Ψ¯ / ∂I) / (∂Ψ¯ / ∂Ip).Эта линейная система отражает текущее поведение в активных и пассивных цепях, и уравнение. (8.9) описывает динамику плазменного тока.

Для описания эволюции формы плазмы введем вектор g ( t ), характеризующий параметры формы и положения плазмы. Этот вектор может включать в себя такие параметры, как удлинение и треугольность плазмы, положение точки X , расстояние между границей плазмы и заданными точками на первой стенке и так далее.Тогда

gt = ∂g∂IδI + ∂g∂IpδIp,

, что приводит к формуле. (8.10) до

(8.12) gt = ∂g∂I − ∂g∂Ip∂Ψ¯∂I / ∂Ψ¯∂IpδI.

Обозначим C≡ (∂g∂I − ∂g∂Ip∂Ψ¯∂I / ∂Ψ¯∂Ip) и таким образом получим

(8.13) gt = CδI.

Таким образом, мы получаем требуемую MLE, описывающую динамику токов в цепи и эволюцию формы плазмы:

(8.14) L ∗ ddtδI + RδI = δUgt = CδI.

Ур. (8.14) позволяет анализировать эффективность пассивной стабилизации структур, окружающих плазму.Характеристика, обычно используемая в этом контексте для вертикально вытянутой плазмы, – это скорость роста неустойчивости плазмы (приращение), γ . Он определяется как сингулярное положительное собственное значение матрицы −L * −1R, относящееся к нестабильной вертикальной моде. Это значение во многом определяет параметры источников питания для управления активными катушками. Как правило, чем выше это значение, тем выше частотные характеристики источника питания и мощность, необходимая для управления. Другой характеристикой, обычно используемой в анализе пассивной стабилизации, является запас устойчивости, м _s .Давайте внимательно посмотрим на это.

Для нестабильных плазменных конфигураций, τ _γ , обратное инкременту, определяется как сингулярное положительное собственное значение MLE (8.14), то есть

(8.15) −L ∗ xu≡S − L1xu = τγRxu,

где матрица L * ≡L1 − S; матрица S≡− [L2 − Mp (∂Ψ¯ / ∂I) / (∂Ψ¯ / ∂Ip)]; матрица L1 = ∂Ψexti∂IjI = I0; R – матрица сопротивлений, а x _u – распределение токов, индуцированных нестабильным режимом, то есть собственный вектор, соответствующий приращению.Из уравнения. (8.15) следует

(8.16) τγ = xuTL1xuxuTRxuxuTSxuxuTL1xu − 1.

Теперь мы вводим «резистивный» запас устойчивости

(8.17) μ = xuTSxuxuTL1xu − 1,

и старшую постоянную времени пассивной структуры

(8.18) τS = xuTL1xuxuTRxu − 1.

Тогда τ _γ = τ _S μ . Из уравнения. Из (8.18) следует, что старшая постоянная времени пассивной структуры является усредненным значением, которое может быть однозначно определено с помощью значений x _и .Отметим, что μ зависит от сопротивления проводников через x _u .

Чтобы перейти к «индуктивной» версии запаса устойчивости, подставим матрицу R в уравнение. (8.15) с матрицей L1 = ∂Ψexti∂IjI = I0 и найти собственные значения m _i и собственные векторы x _i в задаче:

(8.19) −L * xi≡ S − L1 xi = miL1xi,

, где индекс i пробегает значения от 1 до количества состояний в системе.Из уравнения. (8.19) следует, что

(8.20) m1 = xiTSxixiTL1xi − 1.

Если какая-либо матрица (включая L *) умножается на положительно определенную матрицу (L1−1 или R ), количество положительных или отрицательных собственных значений не изменяется, поэтому остается только одно положительное значение m. _i значение для одного положительного нестабильного режима τ _γ . Обозначим его как запас устойчивости м _с .Если m _s < 0, то плазма либо устойчива по шкале постоянной времени пассивных структур, либо нестабильна по шкале времени Альфвена.

Из уравнения. (8.20) можно показать, что м зависит только от геометрии проводников. Собственный вектор x _s , соответствующий запасу устойчивости m _s , определяет внутрипроводное распределение токов из-за мгновенного смещения плазмы в направлении «нестабильности».С физической точки зрения, m _s , если нормировано, отражает разницу между стабилизирующей силой, действующей на плазму токами, индуцированными в идеально проводящих пассивных структурах при мгновенных вертикальных смещениях плазмы, и дестабилизирующей силой, обусловленной плазмой. “удлинение” полоидальным полем. Следовательно, значение m _s определяет, насколько близко должна быть пассивная структура для стабилизации плазмы: чем больше m _s , тем ближе структура к плазме.При проектировании системы управления в настоящее время приемлемо м _с ≈ 0,5. Заметим, что даже при больших m _s параметр τ _γ (более важный для стабилизации плазмы) может быть малым из-за плохой проводимости пассивной структуры. m _s и τ _γ должны быть достаточно высокими, чтобы обеспечить приемлемый уровень стабилизации плазмы.Проще говоря, хорошо проводящая пассивная структура должна быть настолько близка к плазме, насколько это позволяет конструкция.

Линейная модель (уравнение (8.14)) используется в качестве основы для синтеза контроллеров систем управления с обратной связью. Таким образом, это позволяет получить матрицу переноса K ( s ), которая связывает сигналы датчиков, идентифицирующих положение, ток и форму плазмы, с управляющими напряжениями катушки U ( s ) = K ( s ) g ( s ), где s обозначает переменную Лапласа.

При проектировании системы управления положением, током и формой плазмы также важно определить возможные возмущения плазмы, которые должны подавляться системой управления. К ним относятся возмущения внутренней индуктивности плазмы l _i и параметра β _p , вызванные перестройкой профилей температуры и тока при «незначительных нарушениях». Мы вводим такие возмущения в нашу линейную модель. .

Пусть δξ – вектор возмущения. Затем электротехническое уравнение. (8.7) принимает вид

(8.21) L3ddtδI + MpddtδIp + ∂Ψ∂ξddtδξ + RδI = δU.

Ур. (8.9), отражая изменения тока плазмы, принимает вид

(8.22) ∂Ψ¯∂IδI + ∂Ψ¯∂IpδIp + ∂Ψ¯∂ξδξ = 0,

, а уравнение, описывающее геометрию плазмы, принимает вид

(8.23) gt = ∂g ∂IδI + ∂g∂IpδIp + ∂g∂ξδξ.

Замена δI _p из уравнения. (8.22) в уравнения (8.21) и (8.23), получим искомую МПЭ, учитывающую возможные возмущения параметров плазмы:

(8.24) L ∗ ddtδI + Mξddtδξ + RδI = δUg = CδI + Fδξ,

, где

Mξ≡∂Ψ∂ξ − Mp∂Ψ¯∂ξ / ∂Ψ¯∂Ip,

и

F≡∂g ∂ξ − ∂g∂Ip∂Ψ¯∂ξ / ∂Ψ¯∂Ip.

В теории синтеза регуляторов уравнения для объекта управления обычно записываются в форме A, B, C, D. Из уравнения. (8.24) следует, что в нашем случае они примут вид

(8.25) ddtδI = AδI + BδU + Eddtδξg = CδI + DδU + Fδξ,

где A≡ − L * −1R, B ≡ (L *) -1, D – нулевая матрица, а E≡ − L * −1Mξ.

Исключая переменную (d / dt) δξ подстановкой x≡δI − Eδξ, получаем уравнение.(8.25) к окончательной форме

(8.26) x˙ = Ax + BδU + AEδξg = Cx + DδU + CE + Fδξ.

Теперь опишем процедуру вычисления матричных коэффициентов линейной модели для заданной конфигурации плазмы. На рис. 8.1 показан пример конфигурации плазмы и положения точек на сепаратрисе, которые используются в качестве мишеней для управления формой плазмы. Пассивная конструкция схематично представлена ​​комбинацией внутреннего и внешнего осесимметричных колец внутри вакуумного сосуда и двойной оболочкой сосуда.Что касается катушек управления, то в линейной модели они описываются 11 цепями. Внутреннее и внешнее кольца разделены на три петли каждое. Внутренняя и внешняя оболочки вакуумного сосуда разделены на 25 осесимметричных петель каждая. В итоге линейная модель включает 67 состояний (контуров).

Рисунок 8.1. Петли в линейной модели, описывающей плазменную конфигурацию ИТЭР.

(Авторское право организации ИТЭР, 2017 г.).

После идентификации состояний вычисляем матричные коэффициенты по следующему алгоритму:

a.

Расчет базовой конфигурации плазмы с использованием заданных токов полоидальной катушки и параметров плазмы. Как правило, базовые конфигурации создаются на основе снимков сценариев разряда. Базовая конфигурация рассчитывается с использованием кодов равновесия со свободной границей.

б.

Вычисление коэффициентов для матрицы L3 = ∂Ψ¯∂II = I0 (см. Уравнение 8.7)

через соотношение L3i, j≡∂Ψi∂IjI = I0≅ΔΨiΔIj путем изменения j ^th ток цепи относительно базового значения.Здесь Δ ψ _i – изменение потока в цепи ith , связанное с изменениями тока в цепи jth Δ I _j . Лучшая точность достигается, когда измеряются и затем усредняются несколько вариаций тока Δ I _j , как положительных, так и отрицательных. Изменение тока не должно приводить к качественному изменению конфигурации плазмы. Например, когда решается задача со свободной границей, плазменная конфигурация X не должна превращаться в конфигурацию ограничителя, и наоборот.Поскольку L ₃ = L ₁ + L ₂ , в принципе достаточно определить коэффициенты матрицы L2 = ∂Ψp∂II = I0. Матрица L1 = ∂Ψext∂II = I0 выражается через статические индуктивности, которые зависят только от геометрии проводников. Поэтому эту матрицу можно рассчитать заранее.

Коэффициенты матрицы Mp = ∂Ψp∂IpI = I0 в уравнении. (8.7) рассчитываются аналогично с той разницей, что варьируется ток плазмы: Mpj≡∂Ψp, j∂IpI = I0≅ΔΨp, jΔIp.Аналогичным образом определяются коэффициенты ∂Ψ¯∂IjI = I0≅ΔΨ¯ΔIj, ∂Ψ¯∂IpI = I0≅ΔΨ¯ΔIp (см. Уравнение 8.9) и ∂gi∂IjI = I0≅ΔgiΔIj, ∂gi∂IpI = I0≅ΔgiΔIp (см. Уравнение 8.12).

Коэффициенты матриц для возмущений, учтенных в линейной модели, равны ∂Ψi∂ξjI = I0≅ΔΨiΔξj, ∂Ψi∂ξjI = I0≅ΔgiΔξj, где варьируется параметр возмущения ξ _j . Вариации Δ Ip и Δ ξ также не должны приводить к качественному изменению конфигурации плазмы.

с.

После завершения шага б) выведите желаемую линейную модель в форме уравнения. (8.25) или уравнение. (8.26). Одновременно проанализировать характеристики линейной модели с использованием критериев пассивной или активной стабилизации (путем определения приращения, запаса устойчивости и т. Д.).

Назад к основам: как работает катушка зажигания

16 февраля 2021 г. | Статья

.

Все системы зажигания современных бензиновых двигателей используют катушки зажигания для одной и той же основной функции: для создания высокого напряжения, необходимого для возникновения искры на свече зажигания.Профессионалы послепродажного обслуживания будут знакомы с их назначением и основными характеристиками, но они могут не знать о глубоких научных принципах, на которые они опираются. Здесь мы объясняем, как электромагнетизм лежит в основе важной роли катушки зажигания …

История катушек зажигания

Хотя системы зажигания, безусловно, эволюционировали с течением времени – в частности, включали в себя все больше и больше электроники – они все еще несут отличительные черты оригинальных катушечных систем зажигания, которые были введены более 100 лет назад.

Первая катушечная система зажигания приписана американскому изобретателю Чарльзу Кеттерингу, который разработал катушечную систему зажигания для крупного производителя автомобилей примерно в 1910/1911 годах. Впервые он разработал электрическую систему, которая питала стартер и зажигание одновременно. Аккумулятор, генератор и более полная электрическая система транспортного средства обеспечивали относительно стабильное электрическое питание катушки зажигания.

Система Кеттеринга (Рисунок 1) использовала одну катушку зажигания для создания высокого напряжения, которое передавалось на рычаг ротора, который эффективно направлял напряжение на серию электрических контактов, расположенных в узле распределителя (по одному контакту на каждый цилиндр). ).Эти контакты затем соединялись проводами свечей зажигания со свечами зажигания в такой последовательности, которая позволяла распределять высокое напряжение на свечи зажигания в правильном порядке зажигания цилиндров.

Рисунок 1: Основные компоненты системы зажигания Кеттеринга

Система зажигания Kettering стала практически единственным типом системы зажигания для массовых бензиновых автомобилей и оставалась таковой до тех пор, пока в 1970-х и 1980-х годах системы зажигания с электронным переключением и управлением не начали заменять механические системы зажигания.

Основной принцип катушки зажигания

Для создания необходимого высокого напряжения в катушках зажигания используются отношения, существующие между электричеством и магнетизмом.

Когда электрический ток протекает через электрический проводник, такой как катушка с проволокой, он создает магнитное поле вокруг катушки (Рисунок 2). Магнитное поле (или, точнее, магнитный поток) фактически является накопителем энергии, которая затем может быть преобразована обратно в электричество.

Рисунок 2: Создание магнитного поля путем пропускания электрического тока через катушку

При первоначальном включении электрического тока ток быстро увеличивается до максимального значения. Одновременно магнитное поле или магнитный поток будет постепенно расти до максимальной силы и станет стабильным, когда электрический ток станет стабильным. Когда электрический ток затем отключается, магнитное поле возвращается обратно в катушку с проволокой.

На силу магнитного поля влияют два основных фактора:

1) Увеличение тока, подаваемого на катушку с проволокой, усиливает магнитное поле

2) Чем больше витков в катушке, тем сильнее магнитное поле.

Использование изменяющегося магнитного поля для индукции электрического тока

Если катушка с проволокой подвергается воздействию магнитного поля, а затем магнитное поле изменяется (или перемещается), это создает электрический ток в катушке с проволокой.Этот процесс известен как «индуктивность».

Это можно продемонстрировать, просто перемещая постоянный магнит по катушке. Движение или изменение магнитного поля или магнитного потока индуцирует электрический ток в проводе катушки (Рисунок 3).

Рисунок 3: Изменяющееся или движущееся магнитное поле индуцирует электрический ток в катушке

Есть два основных фактора, которые влияют на то, сколько напряжения индуцируется в катушке:

1. Чем быстрее изменяется (или скорость движения) магнитного поля и чем больше изменение силы магнитного поля, тем больше индуцированное напряжение.
2. Чем больше количество витков в катушке, тем больше индуцированное напряжение.

Использование коллапсирующего магнитного поля для индукции электрического тока

Когда магнитное поле было создано путем приложения электрического тока к катушке с проволокой, любое изменение электрического тока (увеличение или уменьшение тока) вызывает такое же изменение магнитного поля. Если электрический ток выключен, магнитное поле схлопнется.Коллапсирующее магнитное поле будет индуцировать электрический ток в катушке (рис. 4). Рисунок 4: Если электрический ток, используемый для создания магнитного поля, отключен, магнитное поле схлопывается, что индуцирует другой электрический ток в катушке

.

Точно так же, как увеличение скорости движения магнитного поля по катушке с проволокой увеличивает напряжение, индуцированное в катушке, если коллапсирующее магнитное поле может сжиматься быстрее, это вызовет более высокое напряжение.Кроме того, в катушке может быть индуцировано более высокое напряжение, если количество обмоток в катушке увеличивается.

Взаимная индуктивность и действие трансформатора

Если две катушки провода размещены рядом или вокруг друг друга и электрический ток используется для создания магнитного поля вокруг одной катушки (которую мы называем первичной обмоткой), магнитное поле также будет окружать вторую катушку (или вторичную обмотку). ). Когда электрический ток отключается, а затем магнитное поле коллапсирует, оно индуцирует напряжение как в первичной, так и во вторичной обмотках.Это известно как «взаимная индуктивность» (рис. 5).

Рис. 5: Магнитное поле в первичной обмотке также окружает вторичную обмотку. Коллапс поля индуцирует электрические токи в обеих обмотках

Для катушек зажигания (и многих типов электрических трансформаторов) вторичная обмотка состоит из большего числа обмоток, чем первичная обмотка. Когда магнитное поле схлопывается, оно вызывает более высокое напряжение во вторичной обмотке, чем в первичной (рис. 6).

Рис. 6. Здесь вторичная обмотка имеет больше катушек, чем первичная. Когда магнитное поле схлопывается, напряжение во вторичной обмотке будет больше, чем напряжение, индуцированное в первичной обмотке

Первичная обмотка катушки зажигания обычно содержит от 150 до 300 витков провода; вторичная обмотка обычно содержит от 15 000 до 30 000 витков провода, что примерно в 100 раз больше, чем первичная обмотка.

Магнитное поле изначально создается, когда электрическая система автомобиля подает примерно 12 вольт на первичную обмотку катушки зажигания.Когда в свече зажигания требуется искра, система зажигания отключает ток в первичной обмотке, что вызывает коллапс магнитного поля. Коллапсирующее магнитное поле вызовет в первичной обмотке напряжение порядка 200 вольт; но наведенное на вторичную обмотку напряжение будет примерно в 100 раз больше, около 20 000 вольт.

Таким образом, используя эффекты взаимной индуктивности и вторичную обмотку, которая имеет в 100 раз больше обмоток, чем первичная, можно преобразовать исходное 12-вольтовое питание в очень высокое напряжение.Этот процесс преобразования низкого напряжения в высокое называется «действием трансформатора».

В катушке зажигания первичная и вторичная обмотки намотаны вокруг железного сердечника, что помогает сконцентрировать и усилить магнитное поле и магнитный поток, тем самым делая катушку зажигания более эффективной.

DENSO является давним лидером в области технологий прямого зажигания, а катушки зажигания DENSO доступны на вторичном рынке. Узнайте больше о типах катушек зажигания DENSO и их преимуществах.

Вернуться к обзору

Электрогенератор

Электродвигатель – устройство для преобразования электрической энергии в механическую энергию; электрический генератор делает обратное, используя механическую энергию для выработки электричества. В основе двигателей и генераторов лежит катушка с проводом в магнитном поле. Фактически, одно и то же устройство можно использовать как двигатель или генератор.

Когда устройство используется в качестве двигателя, через катушку пропускается ток.Взаимодействие магнитного поля с током заставляет катушку вращаться. Чтобы использовать устройство в качестве генератора, катушка вращается, вызывая в катушке ток.

Магнитное поле при моделировании находится на экране. Когда площадь контура уменьшается, в каком направлении индуцируется ток в контуре?

1. По часовой стрелке
2. против часовой стрелки

Индуцированный ток идет по часовой стрелке, когда область, которую мы видим, уменьшается, и против часовой стрелки, когда область увеличивается.

В какой момент величина тока максимальна?

1. Когда плоскость петли перпендикулярна полю (максимальная площадь)
2. Когда плоскость петли параллельна полю (нулевая зона)
3. Поскольку петля вращается с постоянной скоростью, величина тока постоянна.

График зависимости потока от времени имеет наибольший наклон по величине, когда плоскость контура параллельна полю, так что тогда наведенная ЭДС и наведенный ток имеют максимальную величину.

Допустим, мы вращаем катушку из N витков и площади A с постоянной скоростью в однородном магнитном поле B. По закону Фарадея наведенная ЭДС определяется выражением:

ε

=

-N d (BA cosθ) дт

B и A являются константами, и если угловая скорость ω контура постоянна, угол равен:
θ = ωt

Тогда наведенная ЭДС равна:

ε

=

-NBA

d (cos (ωt)) дт

=

ωНБА sin (ωt)

=

ε o sin (ωt)

Вращение петли в магнитном поле с постоянной скоростью – простой способ генерировать синусоидально колеблющееся напряжение… Другими словами, для выработки электроэнергии переменного тока. Амплитуда напряжения составляет:
ε _o = ωNBA

В Северной Америке частота переменного тока от настенной розетки составляет 60 Гц. Следовательно, угловая частота катушек или магнитов, на которых вырабатывается электричество, составляет 60 Гц.

Для выработки электроэнергии постоянного тока используйте тот же тип коммутатора с разъемным кольцом, который используется в двигателе постоянного тока, чтобы полярность напряжения всегда была одинаковой. В очень простом генераторе постоянного тока с одним вращающимся контуром уровень напряжения будет постоянно колебаться.Напряжение от многих контуров (не синхронизированных друг с другом) обычно складывается, чтобы получить относительно стабильное напряжение.

Вместо того, чтобы использовать вращающуюся катушку в постоянном магнитном поле, другой способ использования электромагнитной индукции состоит в том, чтобы удерживать катушку в неподвижном состоянии и вращать постоянные магниты (обеспечивающие магнитное поле и поток) вокруг катушки. Хорошим примером этого является способ производства электроэнергии, например, на гидроэлектростанции. Энергия падающей воды используется для вращения постоянных магнитов вокруг фиксированного контура, производящего мощность переменного тока.

Как это работает | PEM

Как это работает?

Переменный или импульсный ток в проводнике создает магнитное поле, и взаимодействие этого магнитного поля и пояса Роговского, локального по отношению к полю, вызывает индуцированное напряжение внутри катушки, которое пропорционально скорости изменения измеряемого тока. . При условии, что катушка представляет собой замкнутый контур без разрывов, можно показать, что напряжение E , индуцированное в катушке, пропорционально скорости изменения окруженного тока I согласно соотношению E = H.dI / dt , где H , чувствительность катушки в (Vs / A), пропорциональна NA .

Чтобы получить выходное напряжение В _OUT , пропорциональное I , необходимо интегрировать напряжение катушки E ; следовательно, электронный интегратор используется для обеспечения полосы пропускания ниже 1 Гц.

Интегратор операционного усилителя в его простейшей форме с входным резистором R _sh и конденсатором обратной связи C имеет выход В, _выход = (1 / CR) ∫ Edt .Таким образом, общий коэффициент усиления преобразователя определяется выражением Vout = R _sh I , где R _sh = H / CR – это чувствительность преобразователя (В / А).

Отношение V _out , пропорциональное I , действительно во всей полосе пропускания преобразователя. Полоса пропускания определяется как диапазон частот от f _L до f _H , для которого синусоидальные токи могут быть измерены с точностью до 3 дБ от указанной чувствительности R _sh .

На низких частотах коэффициент усиления интегратора увеличивается и теоретически становится бесконечным, когда частота приближается к нулю. Это приведет к неприемлемому дрейфу постоянного тока и низкочастотному шуму; следовательно, коэффициент усиления интегратора должен быть ограничен на низких частотах. Это ограничение достигается за счет размещения фильтра нижних частот параллельно интегрирующему конденсатору. Фильтр нижних частот устанавливает полосу низких частот f _L , обычно это менее 1 Гц.

Индуцированный ток> Лаборатория поддержки лекций по физике и астрономии> USC Dana and David Dornsife College of Letters, Arts and Sciences

EM.2 (1) – Эксперимент Фарадея по электромагнитной индукции

В этой демонстрации используются индукционная катушка и лекционный гальванометр. Погруженный в катушку стержневой магнит создает в катушке электрический ток, который отображается на гальванометре. Когда магнит удаляется, возникает ток в противоположном направлении. Прогиб стрелки гальванометра хорошо виден всем классом.

Эксперимент Фарадея теперь проводится с одной петлей вместо катушки с проволокой.Прогиб гальванометра в этом случае намного меньше. Это также можно сделать с увеличивающимся числом петель, чтобы показать его зависимость от числа петель.

Верх

EM.2 (2) – Индукционные рельсы

К лекционному гальванометру подключаются две токопроводящие шины. Рельсы размещены вокруг магнитного поля большого подковообразного магнита. Когда проводник быстро скользит по рельсам, разрезая магнитное поле, индуцируется ЭДС.На индуцированную ЭДС указывает отклонение стрелки гальванометра. Переместите стержень в противоположном направлении, и стрелка гальванометра отклонится в противоположном направлении. Индуцированный ток направлен в таком направлении, чтобы создать магнитный поток, который противодействует изменению магнитного поля, вызванному скольжением проводника.

Верх

EM.2 (3) – Катушки с токовой связью

Две индукционные катушки соединены длинными проводами и расположены далеко друг от друга в аудитории.Рядом с ними расположены высокие стойки, так что стержневые магниты на пружинах колеблются в них. Когда один магнит настроен на колебание, индуцированный ток заставляет колебаться и другой.

Верх

EM.2 (4) – Индуцированный ток – две катушки

Одна индукционная катушка подключена к лекционным гальванометрам, как в EM.2 (2), а другая – к источнику питания постоянного тока и переключателю. Одна катушка установлена ​​поверх другой, но они не подключены.Включите блок питания. Когда переключатель разомкнут или замкнут, ток, индуцированный в другой катушке, будет отображаться на гальванометре.

Стальной сердечник, установленный через обе катушки, усилит эффект.

Верх

EM.2 (5) – Эксперимент с прыгающим кольцом

Индукционная катушка с очень длинным железным сердечником поддерживается вертикально, при этом часть стального сердечника выдвинута вверх. Сплошное металлическое кольцо установлено вокруг железного сердечника над катушкой.Индукционная катушка подключена к источнику переменного тока. Когда на катушку подается переменный ток, металлическое кольцо подбрасывается вверх в воздух. Попробуйте с разрезным кольцом, и ничего не произойдет.

Ток, наведенный в металлическом кольце, создает магнитное поле, которое противодействует полю, создаваемому индукционной катушкой.

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

Верх

EM.2 (6) – Подводная лампа

Используется та же установка, что и EM.2 (5), но теперь с опущенным железным сердечником, так что стакан может быть помещен поверх змеевика. Внутри стакана находится небольшая катушка с проволокой с небольшой лампочкой посередине. Когда на индукционную катушку подаётся переменная ЭДС, загорается фонарик. Наполните стакан водой, и он снова загорится при подаче переменного тока ЭДС.

Верх

EM.2 (7) – Магнитный фонарик

При встряхивании фонарика в течение 1 минуты будет светиться 1-2 часа. Внутри него две катушки, которые могут легко увидеть наблюдатели. Эта демонстрация демонстрирует принципы закона Ленца.

Верх

EM.2 (8) – Электромагнитное демпфирование

Индукционная катушка укладывается на бок и опирается так, чтобы стальной сердечник располагался горизонтально.Железный сердечник может выступать из катушки примерно на половину своей длины. Опорный стержень, прикрепленный к торцевой пластине индукционной катушки, удерживает медное или алюминиевое кольцо на сердечнике магнита с помощью шнура. Кольцо свободно висит вокруг сердечника. Катушка подключается к батарее 6 В или источнику постоянного тока через переключатель. Быстро замкните выключатель. Кольцо внезапно вытолкнется наружу, а затем медленно вернется в вертикальное положение без колебаний. Откройте переключатель, и кольцо сначала повернется к катушке, а затем начнет колебаться в своем свободном положении.

Когда переключатель замкнут, ток, наведенный в кольце, создает противоположное поле, которое, взаимодействуя с полем, создаваемым током в индукционной катушке, замедляет движение кольца. Энергия, передаваемая движением кольца, поглощается индуцированным током в кольце, таким образом обеспечивая превосходную демонстрацию электромагнитного затухания. Когда переключатель разомкнут, магнитное поле практически отсутствует и затухание не происходит.

Генератор с ручным заводом, подключенный к электрической лампочке, также является полезной демонстрацией закона Ленца, поскольку доброволец может проверить, что намного легче повернуть, когда в цепи нет нагрузки, т.е.е. когда лампочка отключена.

Верх

EM.2 (9) – Индукционная искровая катушка

Этот эксперимент демонстрирует электромагнитную индукцию: повторяющиеся обрывы первичного тока вызывают импульсы высокого напряжения на вторичных выводах. Это визуально наблюдается по возникающим искрам между этими выводами (расположенными наверху индукционной катушки). Аппарат подключен к источнику постоянного тока (напряжение ~ 7В, ток ~ 2А).

Включите устройство, убедившись, что вибратор расположен далеко от основного вывода. Медленно поверните ручку, чтобы переместить вибратор в сторону вывода, пока первый не начнет вибрировать и искры не начнут прыгать по вторичным выводам.

Верх

EM.2 (10) – Индукционная трубка

Цель этого эксперимента – продемонстрировать реализацию индукционного тока. К усилителю подключается трубка длиной примерно три фута с одинаково расположенными, плотно связанными катушками.Каждый набор катушек подключается к предыдущему набору, в конце концов, сходясь к месту подключения выводов. Индуцированный ток, собранный с катушек, передается от места подключения выводов к усилителю, где сигнал проявляется на слух через три пятидюймовых динамика. Сигнал может быть довольно низким, поэтому рекомендуется установить усилитель на максимальную громкость.

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

Верх

EM.2 (11) – Петля индукционного проводника

Цель этого эксперимента – показать, что напряжение (следовательно, ток) будет индуцироваться вокруг контура, когда магнитный поток, проходящий через контур, изменяется со временем. Величина наведенного напряжения зависит от количества витков в проводящей петле. В этом эксперименте есть три варианта. Чтобы увидеть изменение наведенного напряжения, воспользуемся проекционным измерителем. Чтобы максимизировать отклонение вольтметра, перемещайте петлю рукой вместо встроенного двигателя.(ПРИМЕЧАНИЕ: индуцированное напряжение вызывает небольшое отклонение вольтметра, чтобы произвести впечатление на учащегося, вы можете переключиться в режим тока, который максимизирует отклонение проекционного измерителя).

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

Верх

EM.2 (12) – Радиомодуль с двумя катушками индуктивности

Используя два набора туго намотанных катушек, этот эксперимент разработан, чтобы показать, как ток / напряжение могут передаваться от приемника к динамику с помощью магнитной индукции.Установка состоит из ресивера, подключенного к DVD-плееру, который обеспечивает передачу музыки. Приемник подключен к одному набору катушек, набору A, который обеспечивает зависящее от времени магнитное поле, необходимое для возникновения магнитной индукции. Второй набор катушек, набор B, подключен к пятидюймовому динамику, через который будет записываться выходной сигнал DVD-плеера. По мере приближения наборов A и B друг к другу магнитный поток будет увеличиваться в наборе B, тем самым увеличивая силу выходного сигнала, громкость.Изменение выходного сигнала относительно расстояния между наборами A и B может быть проанализировано вместе с эффектом вращения. Относительное вращение между наборами A и B изменит выходную мощность таким образом, что при 90 градусах магнитный поток в наборе B будет равен нулю, т.е. отсутствует выходной сигнал.

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

Верх

EM.2 (13) – Динамик для бумажных стаканчиков

Динамик – это устройство, преобразующее электронный сигнал в звук.В этой демонстрации электронный сигнал преобразуется в переменный ток и проходит через провод от источника сигнала. Токовая петля из проволоки индуцирует магнитное поле, перпендикулярное проволочной петле. Это небольшое магнитное поле взаимодействует с большим магнитным полем, создаваемым при вставке большого постоянного магнита в чашку динамика. Магнитный поток создает в среде возмущение, колебания, которые генерируют звук, который мы слышим из-за присутствия воздуха.

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

Top

Молекулярные выражения: электричество и магнетизм

Как работает металлоискатель Работа металлоискателей основана на принципах электромагнитной индукции. Металлоискатели содержат одну или несколько катушек индуктивности, которые используются для взаимодействия с металлическими элементами на земле.Детектор с одной катушкой, показанный ниже, является упрощенной версией того, что используется в реальном металлоискателе. На катушку подается импульсный ток, который затем индуцирует магнитное поле, показанное синим цветом. Когда магнитное поле катушки движется по металлу, например по монете на этой иллюстрации, поле индуцирует в монете электрические токи (называемые вихревыми токами). Вихревые токи индуцируют собственное магнитное поле, показанное красным, которое генерирует противоположный ток в катушке, который индуцирует сигнал, указывающий на присутствие металла. НАЗАД К РУКОВОДСТВАМ ПО ЭЛЕКТРИЧЕСТВУ И МАГНЕТИЗМУ Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо. © 1995-2021, автор – Майкл В. Дэвидсон и Государственный университет Флориды. Все права защищены. Никакие изображения, графика, программное обеспечение, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми юридическими положениями и условиями, изложенными владельцами. Этот веб-сайт обслуживается нашим Команда разработчиков графики и веб-программирования в сотрудничестве с оптической микроскопией в Национальной лаборатории сильного магнитного поля . Последнее изменение: вторник, 13 сентября 2016 г., 14:10 Счетчик доступа с 6 сентября 1999 г .: 527681

Воздействие и физические взаимодействия – возможные последствия для здоровья от воздействия электрических и магнитных полей в жилых помещениях

Определение терминов

Электрические и магнитные поля создаются электрическими зарядами и их движением.Статическое электрическое поле создается электрическими зарядами, величина и положение которых не меняются во времени. Статическое магнитное поле может создаваться либо постоянным магнитом, либо постоянным потоком электрического тока (движущиеся электрические заряды). Магнитное поле, создаваемое последним способом, часто называют магнитным полем постоянного тока. Магнитные поля переменного тока создаются переменными во времени электрическими токами. Электрические и магнитные поля являются векторными величинами и, таким образом, характеризуются своей величиной и направлением в каждой точке пространства и времени.Поведение электрических и магнитных полей и их взаимосвязь всесторонне описываются уравнениями Максвелла (см. Peck 1953; Kraus 1992; Iskander 1993; или другие общие тексты по электромагнитной теории). Одна из основных особенностей поведения электрического и магнитного полей состоит в том, что изменяющееся во времени электрическое поле создает магнитное поле и наоборот; поэтому часто делается ссылка на электромагнитное поле. Такое поведение поля и одновременное существование обеих компонент поля происходит на всех частотах.Однако для медленно меняющихся полей (низких частот) может преобладать либо электрическое, либо магнитное поле (то есть намного более сильное с точки зрения связанной с ним энергии). Частоты, связанные с линиями электропередач и их общими гармониками, достаточно низки, чтобы электрические и магнитные поля, создаваемые ими, можно было рассматривать отдельно (т. Е. Несвязанными). Физическая причина этого упрощения заключается в том, что электрическое поле, индуцированное магнитным полем (или наоборот), пропорционально скорости изменения во времени.Количественно можно рассматривать поля отдельно, если магнитное поле, создаваемое исходным магнитным полем за счет индукции электрического поля, составляет лишь очень небольшую часть исходного поля. Кроме того, общие источники полей низких частот обычно отделены от облученного человека, экспериментального животного или клеток расстояниями, намного меньшими, чем длина волны поля воздействия. (Электрическое и магнитное поля не связаны внутренним импедансом плоской волны, потому что такие волны не образуются.) На частотах выше нескольких килогерц необходимо более внимательно рассмотреть связь электрического и магнитного полей.

Электрическое поле описывается его напряженностью (обозначается) (полоса над символом поля указывает вектор) и его вектором смещения (), также называемым плотностью электрического потока. Эти два вектора взаимосвязаны электрическими свойствами среды:

, где & isin; – диэлектрическая проницаемость среды; на свободное место О = О ₀ .Для биологических материалов диэлектрическая проницаемость – это комплексное число, состоящее из диэлектрической проницаемости и коэффициента потерь (связанных с проводимостью). Электрическое поле измеряется в вольтах на метр (В / м), а плотность электрического потока – в кулонах на квадратный метр (Кл / м ² ). ³

Магнитное поле описывается его силой () и плотностью магнитного потока (). Два вектора связаны магнитными свойствами среды:

, где µ – проницаемость среды; для свободного пространства µ = µ ₀ .Для большинства биологических материалов (за исключением магнетита, обнаруженного в небольших количествах в некоторых тканях) µ = µ ₀ . Наиболее часто используемым дескриптором магнитного поля является его магнитная индукция, представленная либо в единицах тесла (Тл), либо в единицах, утвержденных на международном уровне (СИ), либо в более старых и более распространенных единицах гаусс (Гс), (1 Гс = 10 ^{– 4} T; также 1 T = 1 Вт / м ² , где Wb = weber). Сила магнитного поля измеряется в амперах на метр (А / м).

Одной из характеристик переменного электрического или магнитного поля является его форма волны (т.е.е. изменение амплитуды и фазы во времени). Синусоидальные (гармонические) поля 50 или 60 Гц являются наиболее часто встречающимися переменными полями в окружающей среде, и они часто используются в биологических экспериментах. Они также могут содержать небольшие искажения, приводящие к гармоникам (кратным основной частоте, например, 120 Гц, 180 Гц и т. Д. Для основной частоты 60 Гц). Другой распространенной формой волны, используемой в лаборатории, является «прямоугольный» импульс или временная последовательность импульсов, биполярных или униполярных.Целый диапазон частот связан с импульсом или серией импульсов. Точный частотный спектр зависит от характеристик импульса, таких как его длительность, частота повторения (для нескольких импульсов), время нарастания (переднего фронта) и время спада (заднего фронта). Технически эти частоты определяются анализом Фурье. Краткое обсуждение спектров простых сигналов дается в отчете ORAU (1992). Формы сигналов, связанные с некоторыми явлениями, такими как молния, включение и выключение электрических устройств, часто называют переходными процессами, и они очень сложны и уникальны для данного события.Их частотные спектры широки и простираются до мегагерцового диапазона.

Параметром, характеризующим поле и связанным с его частотой (для гармонических полей), является длина волны. Длина волны в свободном пространстве связана с частотой в свободном пространстве как

, где c – скорость света ( c = 3 × 10 ⁸ м / сек). В среде, такой как биологические ткани, длина волны короче, чем в свободном пространстве, и равна

, где & isin; диэлектрическая проницаемость рассматриваемой ткани; Следует отметить, что разные ткани имеют разную диэлектрическую проницаемость.

Диапазон частот, в который попадают основные частоты линии электропередачи 50 или 60 Гц, называется чрезвычайно низкими частотами (ELF). Считается, что ELF простирается от 3 Гц до 3 кГц.

Электрическое поле на частотах линий электропередачи, создаваемое определенными напряжениями на высоковольтных линиях передачи, может быть точно оценено аналитическими или численными методами. Точно так же для распределительных линий и любой другой известной конфигурации проводов и проводников другой формы можно оценить силу и направление электрического поля в любой точке окружающего пространства.Простые случаи, такие как пластина, одиночный прямой провод (в свободном пространстве), провод над землей, два провода (бесконечно длинные), трехфазные провода и аналогичные конфигурации, могут быть решены аналитически. Несколько примеров приведены в отчете ORAU (1992). Однако важно понимать, что электрическое поле существенно нарушается любым проводящим или диэлектрическим объектом, помещенным в него. Тонкие объекты, расположенные перпендикулярно направлению поля, вносят лишь минимальное возмущение поля.Эта особенность электрических полей имеет большое значение для правильных измерений полей. Люди и животные сильно влияют на поле (Kaune and Gillis 1981). Таким образом, поле измерения в присутствии человека значительно отличается от поля воздействия без его присутствия.

Подобно электрическому полю, магнитное поле может быть точно оценено (аналитически или численно) для различных конфигураций проводников с током. Примеры простых расчетов приведены в отчете ORAU (1992).Для любой произвольной, но известной конфигурации проводников магнитное поле можно рассчитать численно. В случае двигателей и других устройств сложной геометрии, особенно содержащих магнитные материалы, теоретическая оценка поля экспонирования нецелесообразна. В отличие от электрического поля, на магнитное поле СНЧ не влияет присутствие людей и животных. Следовательно, измеренное поле представляет собой фактическое поле экспонирования.

Методы оценки воздействия

Общие проблемы

Электрические и магнитные поля с частотой 60 (или 50) Гц можно рассчитать или измерить практически в любой среде.Могут быть определены даже их более сложные характеристики (например, гармоники, временные и пространственные изменения). Точно так же можно измерить переходные процессы, хотя и только с помощью сложных приборов. Определение воздействия на человека и, в частности, определение воздействия на человека в связи с эпидемиологическими исследованиями намного сложнее. Среднестатистический взрослый или ребенок сталкивается с различными средами электрических и магнитных полей в течение дня, не говоря уже о месяце или году.

Первоначальный интерес к возможному влиянию полей линий электропередач на здоровье был вызван эпидемиологическим отчетом (Wertheimer and Leeper 1979), в котором предполагалось, что сила магнитных полей частотой 60 Гц, классифицируемая или оцениваемая с помощью проводного кода, коррелирует с увеличение заболеваемости раком у детей, включая лейкоз.В последующих исследованиях использовались коды проводов или другие предполагаемые индикаторы средней среднеквадратичной (среднеквадратичной) напряженности магнитного поля частотой 60 Гц.

Различные характеристики электрических и магнитных полей, кроме их среднеквадратичной величины при 60 Гц, могут быть ответственны за их взаимодействие с биологическими системами (например, гармоники, переходные процессы, временные и пространственные изменения). Знание того, какая характеристика (если таковая имеется) полей воздействия важна для взаимодействия, позволит надежно оценить воздействие в эпидемиологических исследованиях.Отсутствие знаний о соответствующих характеристиках поля делает комплексную оценку воздействия на человека практически невозможной. Тем не менее, большинство исследований проводилось с молчаливым предположением, что магнитное поле 60 Гц (среднеквадратическое значение и накопленное с течением времени) напрямую связано с интересующей экспозицией.

Воздействие можно оценить прямым измерением или косвенным моделированием и оценкой электрических и магнитных полей, присутствующих в помещениях, занятых людьми или экспериментальными животными.В большинстве случаев такие оценки производились только при 60 (или 50) Гц.

Методы и приборы измерения

Без каких-либо четких указаний относительно того, какой аспект поля является биологически значимым, наиболее распространенные сегодня устройства для измерения поля были разработаны для определения средней среднеквадратичной напряженности поля (плотности магнитного потока или напряженности электрического поля) за определенное время. Минимальное время усреднения обычно составляет около 1 секунды, а некоторые инструменты могут выполнять усреднение в течение нескольких часов.Более сложное оборудование может детально измерять изменение во времени или частотный спектр поля, но анализ или выбор простой метрики из огромного количества собранной информации затруднен.

В качестве компромисса некоторые из наиболее популярных сегодня устройств для измерения поля могут записывать множество отсчетов магнитного поля в течение длительного периода; например, их можно настроить на запись выборки каждые 10 секунд в течение 24 часов. Полученный объем данных управляем и позволяет рассчитывать ограниченный диапазон сводных показателей (таких как среднее среднеквадратичное поле, пиковое поле, медианное поле, разница между последовательными измерениями и время выше определенного порога).

Большинство устройств контроля электрических и магнитных полей используют фильтрацию для ограничения диапазона измеряемых частот. Такое устройство может измерять узкую полосу частот от 50 до 60 Гц или покрывать широкую полосу частот от 20 до 2000 Гц. Независимо от измеренного частотного диапазона, приборы сообщают одно число, отражающее сумму всех полей в этом частотном диапазоне.

Самый распространенный метод определения электрического поля – это измерение напряжения между двумя проводниками.В одном популярном инструменте два проводника являются верхней и нижней половинами корпуса устройства. Поскольку присутствие пользователя прибора может изменить электрическое поле, измерительный зонд измерительного устройства необходимо удерживать вдали от тела с помощью длинного непроводящего стержня. Чтобы снять показания, пользователь поворачивает зонд до тех пор, пока его ось не станет параллельна направлению электрического поля (максимальное показание).

Наиболее распространенный метод, используемый для определения магнитного поля, – это измерение напряжения, индуцируемого в катушке с проволокой переменным полем.Чтобы снять показания, катушку необходимо повернуть до тех пор, пока ее ось не станет параллельной направлению магнитного поля. В некоторых устройствах используется катушка, отдельная от электронного блока прибора; другие включают катушку в корпус прибора, так что все устройство должно вращаться. В более дорогих приборах для измерения магнитных полей используются три ортогональные катушки в корпусе прибора. Вместо того, чтобы вращать одну катушку, устройства определяют три взаимно перпендикулярных компонента поля этими катушками и вычисляют векторную сумму полей.Процедуры измерения электрических и магнитных полей в окружающей среде подробно описаны в ANSI / IEEE (1987).

Расчеты поля

Для четко определенных источников плотность магнитного потока может быть рассчитана точно, а измерения подтверждают точность таких расчетов. Электрические поля также могут быть вычислены, но поскольку поля возмущаются проводящими объектами, вычисления часто имеют ограниченную ценность, если возмущения от таких объектов не могут быть смоделированы. При правильном выполнении расчеты электрических и магнитных полей более точны, чем измерения; Фактически, устройства для измерения поля часто калибруются по расчетному полю простого геометрического расположения проводников.

Для большинства условий (дома или на рабочем месте) геометрия проводников сложна или неизвестна, поэтому необходимо использовать измерения. Для распределительных линий, даже несмотря на то, что геометрия относительно проста, токи не одинаковы в каждом проводе (не сбалансированы) и, как правило, не известны достаточно точно, чтобы полагаться на вычисления. Однако для линий передачи количество передаваемой мощности обычно регистрируется, и линейные токи обычно достаточно сбалансированы, чтобы их можно было точно оценить; следовательно, поле можно рассчитать точно, если предположить, что поблизости нет других источников или защитных материалов.

Индуцированные поля и токи

Размещение биологической системы или препарата клеток в электромагнитном поле КНЧ вызывает внутренние электрические токи, поля и поверхностные заряды на границах раздела электрически разнородных сред. Такое поведение описывается уравнениями Максвелла. В случае полей КНЧ можно значительно упростить решение уравнений. Решения квазистатические. Из-за размера объектов и электрических свойств биологической ткани учетом глубины проникновения можно пренебречь.Кроме того, когда оценивается электрическая проницаемость тканей, становится очевидным, что для частот до нескольких килогерц индуцированный ток проводимости намного больше, чем индуцированный ток смещения, потому что σ / we >> 1, где σ – объемная проводимость , ε – диэлектрическая проницаемость среды, а ω – в 2π раз больше частоты излучения (см. диэлектрические свойства тканей и клеток у Фостера и Швана (1986)). Следовательно, электромагнитное поле КНЧ создает токи и электрические поля в открытой биологической системе и вызывает колеблющиеся (на уровне СНЧ) заряды на границах раздела (т.е.е., для интерфейса между внешним биологическим телом и воздухом и для внутренних интерфейсов, например, между различными тканями и клеткой и клеточной средой). Величины и пространственные структуры этих токов и полей зависят от типа поля экспонирования, его характеристик (частота, величина, ориентация и т. Д.), А также размера, формы и электрических свойств экспонируемой системы. Существует важное различие между физическим взаимодействием электрического поля с биологической системой и взаимодействием магнитного поля с биологической системой.

Воздействие электрического поля

Фундаментальный анализ (например, Kaune and Gillis 1981; Polk 1986) показывает, что биологические тела вызывают значительные возмущения внешнего электрического поля. Внутренние поля, индуцированные воздействием электрических полей 50 и 60 Гц, обычно в 10 ^-6 -10 ^-7 раз ниже, чем внешние поля для проводящего тела, такого как питательная среда или животное. Плотность заряда на границе раздела ткань-воздух значительна, а внешнее электрическое поле приблизительно перпендикулярно поверхности биологически проводящего тела.Локальные электрические поля выше среднего, но примерно на 10 90 479 -5 90 482 ниже поля воздействия, могут возникать на острых краях внутри биологических объектов.

Индуцированные электрические поля и токи были рассчитаны и измерены для простых и более реалистичных моделей животных, включая людей. Ранний анализ сильно упрощенных моделей людей и животных, представленных в виде сфер (Spiegel, 1976) или сфероидов (Shiau, Valentino, 1981), дает только оценки порядка величины. Более надежная информация получается из анализа более реалистичных моделей, проведенного несколькими исследователями (Spiegel 1981; Chiban et al.1984; Chen et al. 1986; Димбилов 1987, 1988; Харт 1990). Также доступны результаты нескольких измерений людей и животных и их моделей (Deno 1977; Kaune and Phillips 1980; Kaune 1981a, b; Kaune and Forsythe 1985; Hart 1992a, b; Gandhi and Chen 1992). Доступны недавние обзоры по этим темам (Tenforde and Kaune 1987; Bracken 1992; Misakian et al. 1993). В совокупности эти исследования количественно подтверждают общие особенности физического взаимодействия между биологическими телами и внешними электрическими полями.Как и ожидалось, они также указывают на то, что индуцированные внутренние поля и возмущение внешнего поля зависят от того, заземлено ли проводящее тело и каким образом. Для заземленных людей и животных общий индуцированный ток (ток короткого замыкания) можно надежно оценить с помощью простой формулы (Deno 1977; Kaune and Phillips 1980). Для этого отчета наиболее важным аспектом этих дозиметрических исследований является различие между различными видами животных по различным параметрам (например, электрическое поле на поверхности тела, среднее индуцированное электрическое поле или плотность тока, или максимальная плотность индуцированного тока).Для иллюстрации масштабные коэффициенты, основанные на некоторых параметрах, показаны в (Kaune and Phillips 1980; Kaune 1981a; Kaune and Forsythe 1988; Bracken 1992).

ТАБЛИЦА 2-15

Типичные коэффициенты масштабирования для создания эквивалентных индуцированных токов для заземленных животных по сравнению с заземленным человеком высотой 1,7 м, стоящим в вертикальном поле 1 кВ / м (однородные модели).

Следует отметить, что коэффициенты масштабирования дают только приблизительное руководство, если вообще дают возможность делать выводы на основе исследований на животных и in vitro.Значения являются приблизительными и предназначены для однородных моделей. Анализ с использованием более совершенных моделей и с учетом различных положений, которые человек может занять в поле воздействия, показывает большие различия в плотности наведенного тока (Dimbylow, 1987). Что еще более важно, не было определено, какие характеристики поля воздействия или внутреннего поля ответственны за биологическое взаимодействие. Тем не менее, плотности индуцированного тока и соответствующие индуцированные электрические поля = / σ используются и, вероятно, будут полезны для сравнения различных видов и препаратов in vitro.В некоторых экспериментах они также используются в качестве руководства по величине поля экспонирования. Использование такого масштабирования и ссылка на индуцированное электрическое поле и плотность тока не являются необоснованными. Это хорошо зарекомендовавший себя механизм физического взаимодействия, который может помочь в разработке гипотез и, в конечном итоге, в понимании вовлеченных биофизических взаимодействий.

Воздействие магнитного поля

Наведенные электрические поля и токи от воздействия 50-60 Гц и других магнитных полей СНЧ могут быть найдены путем решения уравнений Максвелла при тех же упрощающих условиях, что и для электрического поля (т.е., квазистатический случай, большая глубина проникновения). Основное отличие состоит в том, что токи, индуцированные магнитными полями СНЧ, образуют замкнутые контуры. Их часто называют «вихревыми токами» (Polk 1986). Для простой геометрии и однородных магнитных полей плотности тока или напряженности электрического поля можно легко найти из аналитических выражений, полученных из закона Фарадея. Индуцированное напряжение (электродвижущая сила) вокруг замкнутого пути в проводящей среде равно

, где – вектор индуцированного электрического поля, – длина вектора приращения вдоль замкнутого контура l , охватывающая поверхность s , – перпендикуляр единичного вектора

к элементу поверхности ds , и является вектором плотности магнитного потока.Если поверхность s перпендикулярна и однородна, то индуцированное электрическое поле для круговой траектории радиусом r равно

, где ω = 2π f , а индуцированное электрическое поле направлено в направлении _l , единичный вектор вдоль замкнутой круговой траектории. Плотность электрического тока тогда определяется как

, где σ – объемная проводимость; σ – скалярная величина для изотропных проводящих сред и тензор второго ранга для анизотропных проводящих сред.

Вторичным магнитным полем, индуцированным током в проводящей среде (определяемым уравнениями с 2-2 по 2-7), пренебрегают. Ошибка из-за этого упрощения составляет менее малой доли процента, пока выполняется следующее условие (Polk 1986):

, где L – наибольший размер биологического тела.

Упрощенный анализ использовался для оценки порядка величины индуцированных токов и полей у экспериментальных животных и людей.Они также использовались для оценки индуцированных токов и полей в различных клеточных препаратах, используемых в лабораторных исследованиях. Хотя такой упрощенный анализ полезен во многих случаях, при некоторых условиях он может вводить в заблуждение.

Были проанализированы однородные сфероиды и эллипсоиды размеров и форм, представляющие людей и грызунов (Spiegel 1977; Hart 1992a, b). Численный анализ также применялся к неоднородному представлению человеческого тела в однородном поле (Gandhi and Chen 1992; Xi et al.1994), а для головы были проведены расчеты с высоким пространственным разрешением (Xi and Stuchly 1994). Ограниченные измерения были выполнены на крысах, которые в целом подтверждают результаты моделей на грызунах (Miller 1991). Однако неоднородность тканей значительно изменяет анализ (Polk 1990; Polk and Song 1990). Репрезентативные данные для гетерогенной модели человека с расчетами, проведенными на сетке размером 1,3 см ³ клеток, и аналогичные расчеты для однородных грызунов приведены в качестве справочного материала для масштабирования и сравнения с токами и полями, вызванными воздействием электрического поля. .Во всех случаях ориентация магнитного поля выбирается так, чтобы получить максимальные значения плотности наведенного тока. Эти условия означают, что магнитное поле направлено спереди назад (и наоборот), что переводится в горизонтальное магнитное поле для человека и вертикальное магнитное поле для грызуна в его обычном положении. Значения межвидового масштабирования отличаются от часто используемых и основаны на предполагаемых максимальных путях токов для различных видов. Например, сравнивая максимальные токи, соотношение 1: 9 получено для людей и крыс из результатов моделирования и 1: 6 из соотношений веса к объему (максимальный путь тока).

ТАБЛИЦА 2-16

Типичные наведенные токи и поля для однородного магнитного поля 1 мкТл, 60 Гц.

Плотность наведенного тока также была рассчитана для линейного монтера, работающего вблизи линий электропередач (Stuchly and Zhao 1996). Как и следовало ожидать, как средние, так и максимальные значения в этом случае намного больше, чем при воздействии окружающей среды. Сравнение дано в. Диапазон максимальных плотностей тока, индуцируемого локально портативными приборами, также приведен в той же таблице (Cheng et. Al.1995).

ТАБЛИЦА 2-17

Плотности тока, наводимые на человека магнитным полем частотой 60 Гц при различных условиях воздействия.

Интересно сравнить индуцированные токи при воздействии на человека электрического и магнитного полей частотой 60 Гц. Ссылаясь на таблицы и, примерно одинаковые максимальные плотности тока (2 мкА / м ² ) получены при воздействии электрического поля 4 В / м и магнитного поля 0,1 мкТл (1 мГс). (Эти результаты относятся к одинаковым плотностям тока в голове при воздействии магнитного поля и в шее при воздействии электрического поля.) Другое сравнение можно провести, рассматривая среднее и максимальное наведенные электрические поля. Для воздействия электрического поля коэффициент уменьшения составляет примерно 10 ^-7 для среднего поля и 10 ^-5 для максимального поля по сравнению с внешним электрическим полем. Следовательно, для среднего электрического поля воздействия электрических полей 14-18 В / м и магнитных полей 0,1 мкТл (1 мГс) эквивалентны, а для максимальных наведенных электрических полей – 3 В / м электрических полей и 0,1 мкТл. Магнитные поля -µT (1-мГс) эквивалентны.При сравнении максимальных значений либо плотности индуцированного тока, либо электрических полей, получаются очень близкие уровни электрических (4 В / м и 3 В / м) и магнитных (0,1 мкТл) полей в окружающей среде.

Плотность эндогенного тока, связанная с потенциалами действия возбудимых тканей, составляет порядка 1 мА / м ² или электрическое поле приблизительно 1 мВ / м. Для получения аналогичных плотностей наведенного тока от воздействия внешних полей с частотой 60 Гц потребуется воздействие на человека электрических полей примерно 2 кВ / м или магнитных полей 100 мкТл (1 G).Эти поля значительно больше, чем обычно встречаются в жилых помещениях.

Индуцированные токи и поля до сих пор оценивались для сильно упрощенной структуры тканей с учетом только ее объемных электрических свойств. Включение клеточной структуры, включая анизотропию, представляет собой сложную задачу, которая до сих пор не решена (McLeod 1992; Polk 1992a, b).

Оценка наведенного тока и электрических полей также важна для количественной оценки и интерпретации результатов лабораторных исследований in vitro.Это особенно важно при определении того, обусловлен ли наблюдаемый биологический эффект магнитным полем или электрическими токами и полями, индуцированными в исследуемом образце магнитным полем. Когда результаты исследования в одной лаборатории не подтверждаются другими данными из других лабораторий, оценка индуцированных полей также может быть полезна для обнаружения различий в очевидно идентичных экспериментах.

Для биологических клеток с низкой плотностью, помещенных в проводящую среду, плотность индуцированного тока может быть вычислена исключительно на основе геометрии среды, содержащейся в экспонирующей чашке, и характеристик магнитного поля (Misakian et al.1993). Были опубликованы методы расчета для нескольких форм тарелок, включая кольцевое кольцо (McLeod et al.