Магнитное поле катушки: Магнитное поле катушки с током. Электромагниты. Видеоурок. Физика 8 Класс

Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение

Катушка представляет собой проволоку, намотанную на неметаллический каркас.

Как правило, катушка обладает большим числом витков, при этом витки расположены вплотную друг к другу. Таким образом, проходя через проволоку, ток будет идти по спирали. Если такую катушку подвесить на гибких проводах, то она будет вести себя, как магнитная стрелка. Значит, у катушки с током тоже есть магнитные полюса.

Как мы помним из предыдущего урока, магнитные линии направлены от южного полюса к северному. Тогда, получается, что катушка с током будет фактически являться магнитом. То есть, при прохождении тока через витки, внутри катушки образуется однородное магнитное поле.

Обратите внимание, насколько это явление похоже на возникновение магнитного поля вокруг проводника.

Мы видим полностью симметричную картину: в одном случае, вокруг прямого тока образуются круговые магнитные линии, а в другом — вокруг прямых магнитных линий идут витки электрического тока. Это ещё раз доказывает то, что

Итак, катушка с током, фактически имеет свойства полосового магнита. Совсем недавно мы говорили, что магниты обладают полями разной силы. Так вот, было многократно подтверждено опытами, что катушка с бо́льшим числом витков имеет более сильное магнитное поле.

И, конечно, сила магнитного поля зависит от силы тока в проводнике.

Если мы будем изменять силу тока в катушке, то убедимся, что её магнитное действие усиливается с увеличением силы тока. И наоборот: магнитное действие катушки ослабевает при уменьшении силы тока. Но, кроме описанных нами двух способов усилить магнитное поле катушки, есть ещё один способ. Этот способ впервые придумал Доминик Франсуа Жан Араго, поместив внутрь катушки металлический стержень.

Он сделал это следующим образом: Араго взял полую стеклянную трубку и намотал на неё проводник, а затем внутрь трубки втолкнул железный стержень.

Араго заметил, что даже при постоянной силе тока и числе витков, магнитное поле катушки значительно увеличивается, если внутри трубки находится железный стержень. Впоследствии, железный стержень начали называть сердечником, а катушку с сердечником — электромагнитом. Назначение электромагнита понятно из названия: с помощью электрического тока создаётся мощный магнит.

Электромагниты широко используются людьми. Это довольно удобно, потому что регулировать мощность магнита очень легко. Его можно изготавливать разных размеров, с разным числом витков и пропускать через них различный ток. Мы не будем сейчас изучать, как рассчитывается сила электромагнита. Просто приведём несколько примеров их применения. Вы все знаете, что существуют магнитные замки. Они сделаны на основе электромагнита: чтобы открыть дверь, нужно ввести код.

При вводе кода, по электромагниту временно перестаёт течь ток, и дверь спокойно можно открыть. Когда по электромагниту течет ток, он с такой силой притягивает к себе дверь, что человек не в состоянии её открыть. При вводе кода, отключается ток, и магнитное поле пропадает. Поэтому, человек легко может открыть дверь.

Или, например, когда нужно поднять тяжелый металлический груз, использовать электромагнит очень удобно.

Широкое применение электромагниты нашли в сортировке. Особенно, это удобно, когда нужно отсортировать какие-то мелкие предметы. На установке, представленной на рисунке, вы видите крутящийся барабан, который является электромагнитом.

С его помощью, например, легко отделить металлический мусор от неметаллического, чтобы потом отправить отсортированный мусор на переработку.

Можно ещё долго перечислять области, в которых используются электромагниты, но для объяснения этого использования, нам нужно поднакопить знания.

100 ballov.kz образовательный портал для подготовки к ЕНТ и КТА

В 2021 году казахстанские школьники будут сдавать по-новому Единое национальное тестирование. Помимо того, что главный школьный экзамен будет проходить электронно, выпускникам предоставят возможность испытать свою удачу дважды. Корреспондент zakon.kz побеседовал с вице-министром образования и науки Мирасом Дауленовым и узнал, к чему готовиться будущим абитуриентам.

— О переводе ЕНТ на электронный формат говорилось не раз. И вот, с 2021 года тестирование начнут проводить по-новому. Мирас Мухтарович, расскажите, как это будет?

— По содержанию все остается по-прежнему, но меняется формат. Если раньше школьник садился за парту и ему выдавали бумажный вариант книжки и лист ответа, то теперь тест будут сдавать за компьютером в электронном формате. У каждого выпускника будет свое место, огороженное оргстеклом.

Зарегистрироваться можно будет электронно на сайте Национального центра тестирования. Но, удобство в том, что школьник сам сможет выбрать дату, время и место сдачи тестирования.

Кроме того, в этом году ЕНТ для претендующих на грант будет длиться три месяца, и в течение 100 дней сдать его можно будет два раза.

— Расскажите поподробнее?

— В марте пройдет тестирование для желающих поступить на платной основе, а для претендующих на грант мы ввели новые правила. Школьник, чтобы поступить на грант, по желанию может сдать ЕНТ два раза в апреле, мае или в июне, а наилучший результат отправить на конкурс. Но есть ограничение — два раза в один день сдавать тест нельзя. К примеру, если ты сдал ЕНТ в апреле, то потом повторно можно пересдать его через несколько дней или в мае, июне. Мы рекомендуем все-таки брать небольшой перерыв, чтобы еще лучше подготовиться. Но в любом случае это выбор школьника.

— Система оценивания останется прежней?

— Количество предметов остается прежним — три обязательных предмета и два на выбор. Если в бумажном формате закрашенный вариант ответа уже нельзя было исправить, то в электронном формате школьник сможет вернуться к вопросу и поменять ответ, но до того, как завершил тест.

Самое главное — результаты теста можно будет получить сразу же после нажатия кнопки «завершить тестирование». Раньше уходило очень много времени на проверку ответов, дети и родители переживали, ждали вечера, чтобы узнать результат. Сейчас мы все автоматизировали и набранное количество баллов будет выведено на экран сразу же после завершения тестирования.
Максимальное количество баллов остается прежним — 140.

— А апелляция?

— Если сдающий не будет согласен с какими-то вопросами, посчитает их некорректными, то он сразу же на месте сможет подать заявку на апелляцию. Не нужно будет ждать следующего дня, идти в центр тестирования, вуз или школу, все это будет электронно.

— С учетом того, что школьникам не придется вручную закрашивать листы ответов, будет ли изменено время сдачи тестирования?

— Мы решили оставить прежнее время — 240 минут. Но теперь, как вы отметили, школьникам не нужно будет тратить час на то, чтобы правильно закрасить лист ответов, они спокойно смогут использовать это время на решение задач.

— Не секрет, что в некоторых селах и отдаленных населенных пунктах не хватает компьютеров. Как сельские школьники будут сдавать ЕНТ по новому формату?

— Задача в том, чтобы правильно выбрать время и дату тестирования. Центры тестирования есть во всех регионах, в Нур-Султане, Алматы и Шымкенте их несколько. Школьники, проживающие в отдаленных населенных пунктах, как и раньше смогут приехать в город, где есть эти центры, и сдать тестирование.

— На сколько процентов будет обновлена база вопросов?

— База вопросов ежегодно обновляется как минимум на 30%. В этом году мы добавили контекстные задания, то что школьники всегда просили. Мы уделили большое внимание истории Казахстана и всемирной истории — исключили практически все даты. Для нас главное не зазубривание дат, а понимание значения исторических событий. Но по каждому предмету будут контекстные вопросы.

— По вашему мнению система справится с возможными хакерскими атаками, взломами?

— Информационная безопасность — это первостепенный и приоритетный вопрос. Центральный аппарат всей системы находится в Нур-Султане. Связь с региональными центрами сдачи ЕНТ проводится по закрытому VPN-каналу. Коды правильных ответов только в Национальном центре тестирования.

Кроме того, дополнительно через ГТС КНБ (Государственная техническая служба) все тесты проходят проверку на предмет возможного вмешательства. Здесь все не просто, это специальные защищенные каналы связи.

— А что с санитарными требованиями? Нужно ли будет школьникам сдавать ПЦР-тест перед ЕНТ?

— ПЦР-тест сдавать не нужно будет. Требование по маскам будет. При необходимости Центр национального тестирования будет выдавать маски школьникам во время сдачи ЕНТ. И, конечно же, будем измерять температуру. Социальная дистанция будет соблюдаться в каждой аудитории.

— Сколько человек будет сидеть в одной аудитории?

— Участники ЕНТ не за семь дней будут сдавать тестирование, как это было раньше, а в течение трех месяцев. Поэтому по заполняемости аудитории вопросов не будет.

— Будут ли ужесточены требования по дисциплине, запрещенным предметам?

— Мы уделяем большое внимание академической честности. На входе в центры тестирования, как и в предыдущие годы, будут стоять металлоискатели. Перечень запрещенных предметов остается прежним — телефоны, шпаргалки и прочее. Но, помимо фронтальной камеры, которая будет транслировать происходящее в аудитории, над каждым столом будет установлена еще одна камера. Она же будет использоваться в качестве идентификации школьника — как Face ID. Сел, зарегистрировался и приступил к заданиям. Мы применеям систему прокторинга.

Понятно, что каждое движение абитуриента нам будет видно. Если во время сдачи ЕНТ обнаружим, что сдающий использовал телефон или шпаргалку, то тестирование автоматически будет прекращено, система отключится.

— А наблюдатели будут присутствовать во время сдачи тестирования?

— Когда в бумажном формате проводили ЕНТ, мы привлекали очень много дежурных. В одной аудитории было по 3-4 человека. При электронной сдаче такого не будет, максимум один наблюдатель, потому что все будет видно по камерам.

— По вашим наблюдениям школьники стали меньше использовать запрещенные предметы, к примеру, пользоваться телефонами?

— Практика показывает, что школьники стали ответственнее относиться к ЕНТ. Если в 2019 году на 120 тыс. школьников мы изъяли 120 тыс. запрещенных предметов, по сути у каждого сдающего был телефон. То в прошлом году мы на 120 тыс. школьников обнаружили всего 2,5 тыс. телефонов, и у всех были аннулированы результаты.

Напомню, что в 2020 году мы также начали использовать систему искусственного интеллекта. Это анализ видеозаписей, который проводится после тестирования. Так, в прошлом году 100 абитуриентов лишились грантов за то, что во время сдачи ЕНТ использовали запрещенные предметы.

— Сколько средств выделено на проведение ЕНТ в этом году?

Если раньше на ЕНТ требовалось 1,5 млрд тенге из-за распечатки книжек и листов ответов, то сейчас расходы значительно сокращены за счет перехода на электронный формат. Они будут, но несущественные.

— Все-таки почему именно в 2021 году было принято решение проводить ЕНТ в электронном формате. Это как-то связано с пандемией?

— Это не связано с пандемией. Просто нужно переходить на качественно новый уровень. Мы апробировали данный формат на педагогах школ, вы знаете, что они сдают квалификационный тест, на магистрантах, так почему бы не использовать этот же формат при сдаче ЕНТ. Тем более, что это удобно, и для школьников теперь будет много плюсов.

Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение. 8 класс. Физика. – Объяснение нового материала.

Наибольший практический интерес представляет собой магнитное поле катушки с током. На рисунке изображена катушка, состоящая из большого числа витков провода, намотанного на деревянный каркас. Когда в катушке есть ток, железные опилки притягиваются к её концам, при отключении тока они отпадают.

Рис. Притяжение железных опилок катушкой с током

Если катушку с током подвесить на тонких и гибких проводниках, то она установится так же, как магнитная стрелка компаса. Один конец катушки будет обращен к северу, другой — к югу. Значит, катушка с током, как и магнитная стрелка, имеет два полюса — северный и южный (рис.).

Рис. Полюсы катушки с током

Вокруг катушки с током имеется магнитное поле. Его, как и поле прямого тока, можно обнаружить при помощи опилок (рис.). Магнитные линии магнитного поля катушки с током являются также замкнутыми кривыми. Принято считать, что вне катушки они направлены от северного полюса катушки к южному (см. рис.).

Рис. Магнитные линии катушки с током

Катушки с током широко используют в технике в качестве магнитов. Они удобны тем, что их магнитное действие можно изменять (усиливать или ослаблять) в широких пределах. Рассмотрим способы, при помощи которых можно это делать.

На рисунке изображён опыт, в котором наблюдается действие магнитного поля катушки с током. Если заменить катушку другой, с большим числом витков проволоки, то при той же силе тока она притянет больше железных предметов. Значит, магнитное действие катушки с током тем сильнее, чем больше число витков в ней.

Включим в цепь, содержащую катушку, реостат (рис.) и при помощи него будем изменять силу тока в катушке. При увеличении силы тока действие магнитного поля катушки с током усиливается, при уменьшении — ослабляется.

Рис.  Действие магнитного поля катушки

Оказывается также, что магнитное действие катушки с током можно значительно усилить, не меняя число её витков и силу тока в ней. Для этого надо ввести внутрь катушки железный стержень (сердечник). Железо, введённое внутрь катушки, усиливает магнитное действие катушки (рис.).

Рис.  Действие магнитного поля катушки с железным сердечником

Катушка с железным сердечником внутри называется электромагнитом.

Электромагнит — одна из основных деталей многих технических приборов. На рисунке изображён дугообразный электромагнит, удерживающий якорь (железную пластинку) с подвешенным грузом.

Рис.  Дугообразный электромагнит

Электромагниты широко применяют в технике благодаря их замечательным свойствам. Они быстро размагничиваются при выключении тока, в зависимости от назначения их можно изготавливать самых различных размеров, во время работы электромагнита можно регулировать его магнитное действие, меняя силу тока в катушке.

Электромагниты, обладающие большой подъёмной силой, используют на заводах для переноски изделий из стали или чугуна, а также стальных и чугунных стружек, слитков (рис.).

Рис.  Применение электромагнитов

На рисунке показан в разрезе магнитный сепаратор для зерна. В зерно подмешивают очень мелкие железные опилки. Эти опилки не прилипают к гладким зёрнам полезных злаков, но прилипают к зёрнам сорняков. Зёрна 1 высыпаются из бункера на вращающийся барабан 2. Внутри барабана находится сильный электромагнит 5. Притягивая железные частицы 4, он извлекает зёрна сорняков из потока зерна 3 и таким путём очищает зерно от сорняков и случайно попавших железных предметов.

Рис.  Магнитный сепаратор

Применяются электромагниты в телеграфном, телефонном аппаратах и во многих других устройствах.

Задание 1. Ответь на вопросы.

1. В каком направлении устанавливается катушка с током, подвешенная на длинных тонких проводниках? Какое сходство имеется у неё с магнитной стрелкой?
2. Какими способами можно усилить магнитное действие катушки с током?
3. Что называют электромагнитом?
4. Для каких целей используют на заводах электромагниты?
5. Как устроен магнитный сепаратор для зерна?

Задание 2. СДЕЛАЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТ САМ

К занятию прикреплен файл-презентация  «Электромагниты». Вы можете скачать файл в любое удобное для вас время.

Использованные источники: http://www.tepka.ru/fizika_8, http://class-fizika.narod.ru
 

Определение магнитного поля катушки. Магнитное поле катушки с током. Обозначение на схемах

Мы продолжаем изучение вопросов электромагнитных явлений. И на сегодняшнем уроке рассмотрим магнитное поле катушки с током и электромагнит.

Наибольший практический интерес представляет собой магнитное поле катушки с током. Чтобы получить катушку, надо взять изолированный проводник и намотать его на каркас. Такая катушка содержит в себе большое количество витков провода. Обратите внимание: эти провода намотаны на пластмассовый каркас и у этого провода есть два вывода (рис. 1).

Рис. 1. Катушка

Исследованием магнитного поля катушки занимались два известных ученых: Андре-Мари Ампер и Франсуа Араго. Они выяснили, что магнитное поле катушки полностью соответствует магнитному полю постоянного магнита (рис. 2).

Рис. 2. Магнитное поле катушки и постоянного магнита

Почему магнитные линии катушки имеют такой вид

Если через прямой проводник протекает постоянный ток, вокруг него возникает магнитное поле. Направление магнитного поля можно определить по «правилу буравчика» (рис. 3).

Рис. 3. Магнтное поле проводника

Сгибаем этот проводник по спирали. Направление тока остается таким же, магнитное поле проводника так же существует вокруг проводника, поле разных участков проводника складывается. Внутри катушки магнитное поле будет сосредоточено. В итоге получим следующую картину магнитного поля катушки (рис. 4).

Рис. 4. Магнитное поле катушки

Вокруг катушки с током имеется магнитное поле. Его, как и поле прямого проводника, можно обнаружить при помощи опилок (рис. 5). Линии магнитного поля катушки с током являются также замкнутыми.

Рис. 5. Расположение металлических опилок около катушки с током

Если катушку с током подвесить на тонких и гибких проводниках, то она установится так же, как магнитная стрелка компаса. Один конец катушки будет обращен к северу, другой – к югу. Значит, катушка с током, как и магнитная стрелка, имеет два полюса – северный и южный (рис. 6).

Рис. 6. Полюса катушки

На электрических схемах катушка обозначается следующим образом:

Рис. 7. Обозначение катушки на схемах

Катушки с током широко используют в технике в качестве магнитов. Они удобны тем, что их магнитное действие можно изменять в широких пределах.

Магнитное поле катушки велико по сравнению с магнитным полем проводника (при одинаковой силе тока).

При пропускании тока через катушку вокруг нее образуется магнитное поле. Чем больший ток протекает по катушке, тем сильнее будет магнитное поле.

Его можно фиксировать с помощью магнитной стрелки или металлической стружки.
Также магнитное поле катушки зависит от количества витков. Магнитное поле катушки с током тем сильнее, чем больше число витков в ней. То есть мы можем регулировать поле катушки, изменяя количество ее витков или электрический ток, протекающий по катушке.

Но самым интересным оказалось открытие английского инженера Стёрджента. Он продемонстрировал следующее: ученый взял и надел катушку на железный сердечник. Дело все в том, что, пропуская электрический ток по виткам этих катушек, магнитное поле многократно увеличивалось – и все железные предметы, которые находились вокруг, стали притягиваться к этому устройству (рис. 8). Это устройство получило название «электромагнит».

Рис. 8. Электромагнит

Когда сообразили сделать железный крючок и присоединить его к этому устройству, получили возможность перетаскивать различные грузы. Итак, что такое электромагнит?

Определение

Электромагнит – это катушка с большим количеством витков обмотки, надетая на железный сердечник, которая обретает свойства магнита при прохождении по обмотке электрического тока.

Электромагнит на схеме обозначается как катушка, а сверху располагается горизонтальная линия (рис. 9). Эта линия обозначает железный сердечник.

Рис. 9. Обозначение электромагнита

Когда мы изучали электрические явления, то говорили, что у электрического тока есть разные свойства, в том числе магнитные. И один из экспериментов, которые мы обсуждали, был связан с тем, что мы берем проволоку, присоединенную к источнику тока, наматываем на железный гвоздь и наблюдаем, как к этому гвоздю начинают притягиваться различные железные предметы (рис. 10). Вот это и есть простейший электромагнит. И теперь мы понимаем, что простейший электромагнит нам обеспечивают протекание тока в катушке, большое количество витков и обязательно – металлический сердечник.

Рис. 10. Простейший электромагнит

На сегодняшний день электромагниты очень широко распространены. Электромагниты работают практически везде и всюду. Например, если нам надо перетащить достаточно большие грузы, мы используем электромагниты. И, регулируя силу тока, мы будем, соответственно, силу либо увеличивать, либо уменьшать. Еще одним примером использования электромагнитов является электрический звонок.

Открытие и закрытие дверей и тормоза некоторых транспортных средств (например, трамвая) тоже обеспечиваются электромагнитами.

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

1. Инернет-портал «сайт» ()
2. Инернет-портал «сайт» ()
3. Инернет-портал «class-fizika.narod.ru» ()

Домашнее задание

1. Что представляет собой катушка?
2. У любой ли катушки есть магнитное поле?
3. Опишите простейший электромагнит.

Логично было бы рассказать еще об одном представителе пассивных радиоэлементов – катушках индуктивности. Но рассказ о них придется начать издалека, вспомнить о существовании магнитного поля, ведь именно магнитное поле окружает и пронизывает катушки, именно в магнитном поле, чаще всего переменном, катушки и работают. Короче, это их среда обитания.

Магнетизм, как свойство вещества

Магнетизм является одним из важнейших свойств вещества, так же как, например, масса или электрическое поле. Явления магнетизма, впрочем, как и электричества, были известны давно, вот только тогдашняя наука не могла объяснить сути этих явлений. Непонятное явление получило название «магнетизм» по имени города Магнезия, что был когда-то в Малой Азии. Именно из руды, добываемой поблизости, и получались постоянные магниты.

Но постоянные магниты в рамках данной статьи не особо интересны. Коль скоро было обещано рассказать о катушках индуктивности, то речь пойдет, скорее всего, об электромагнетизме, ведь далеко не секрет, что даже вокруг провода с током существует магнитное поле.

В современных условиях исследовать явление магнетизма на начальном, хотя бы уровне, достаточно легко. Для этого надо собрать простейшую электрическую цепь из батарейки и лампочки для карманного фонаря. В качестве индикатора магнитного поля, его направления и напряженности можно воспользоваться обычным компасом.

Магнитное поле постоянного тока

Как известно, компас показывает направление на Север. Если поблизости расположить провода упомянутой выше простейшей схемы, и включить лампочку, то стрелка компаса несколько отклонится от своего нормального положения.

Подключив параллельно еще одну лампочку можно удвоить ток в цепи, отчего угол поворота стрелки несколько увеличится. Это говорит о том, что магнитное поле провода с током стало больше. Именно на таком принципе работают стрелочные измерительные приборы.

Если полярность включения батарейки изменить на обратную, то и стрелка компаса повернется другим концом – направление магнитного поля в проводах также изменилось по направлению. Когда схема будет отключена, стрелка компаса вновь вернется в свое законное положение. Нет тока в катушке, нет и магнитного поля.

Во всех этих опытах компас играет роль пробной магнитной стрелки, подобно тому, как исследование постоянного электрического поля производится пробным электрическим зарядом.

На основе таких простейших опытов можно сделать заключение, что магнетизм появляется на свет благодаря электрическому току: чем этот ток сильней, тем сильнее магнитные свойства проводника. А откуда же тогда берется магнитное поле у постоянных магнитов, ведь к ним батарейку с проводами никто не подключал?

Фундаментальными научными исследованиями доказано, что и постоянный магнетизм основан на электрических явлениях: каждый электрон находится в собственном электрическом поле и обладает элементарными магнитными свойствами. Только в большинстве веществ эти свойства взаимно нейтрализуются, а у некоторых почему-то складываются в один большой магнит.

Конечно, на самом деле все не так примитивно и просто, но, в общем, даже постоянные магниты имеют свои чудесные свойства за счет движения электрических зарядов.

А какие они магнитные линии?

Магнитные линии можно увидеть визуально. В школьном опыте на уроках физики для этого на лист картона насыпаются металлические опилки, а внизу помещается постоянный магнит. Слегка постукивая по листу картона можно добиться картинки, показанной на рисунке 1.

Рисунок 1.

Нетрудно видеть, что магнитные силовые линии выходят из северного полюса и входят в южный, при этом не разрываясь. Конечно, можно сказать, что как раз, наоборот, из южного в северный, но так уж принято, поэтому из северного в южный. Точно так же, как когда-то приняли направление тока от плюса к минусу.

Если вместо постоянного магнита сквозь картонку пропустить провод с током, то металлические опилки покажут его, проводника, магнитное поле. Это магнитное поле имеет вид концентрических круговых линий.

Для исследования магнитного поля можно обойтись и без опилок. Достаточно вокруг проводника с током перемещать пробную магнитную стрелку, чтобы увидеть, что силовые магнитные линии и впрямь представляют собой замкнутые концентрические окружности. Если перемещать пробную стрелку в сторону, куда ее отклоняет магнитное поле, то непременно вернемся в ту же точку, откуда начали движение. Аналогично, как пешком вокруг Земли: если идти никуда не сворачивая, то рано или поздно придешь на то же место.

Рисунок 2.

Направление магнитного поля проводника с током определяется по правилу буравчика, – инструмента для сверления отверстий в дереве. Тут все очень просто: буравчик надо вращать так, чтобы его поступательное движение совпадало с направлением тока в проводе, тогда направление вращения рукоятки покажет, куда направлено магнитное поле.

Рисунок 3.

«Ток идет от нас» – крестик в середине круга это оперение стрелы, летящей за плоскость рисунка, а где «Ток идет к нам», показан наконечник стрелы, летящей из-за плоскости листа. По крайней мере, такое объяснение этих обозначений давалось на уроках физики в школе.

Рисунок 4.

Если к каждому проводнику применить правило буравчика, то определив направление магнитного поля в каждом проводнике, можно с уверенностью сказать, что проводники с одинаковым направлением тока притягиваются, а их магнитное поля складываются. Проводники с токами разного направления взаимно отталкиваются, магнитное их поле компенсируется.

Катушка индуктивности

Если проводник с током выполнить в виде кольца (витка), то у него появляются свои магнитные полюса, северный и южный. Но магнитное поле одного витка, как правило, невелико. Гораздо лучших результатов можно добиться, намотав провод в виде катушки. Такую деталь называют катушкой индуктивности или просто индуктивностью. В этом случае магнитные поля отдельных витков складываются, взаимно усиливая друг друга.

Рисунок 5.

На рисунке 5 показано, каким образом можно получить сумму магнитных полей катушки. Вроде бы можно запитать каждый виток от своего источника, как показано на рис. 5.2, но проще соединить витки последовательно (просто намотать одним проводом).

Совершенно очевидно, что чем большее количество витков у катушки, тем сильнее ее магнитное поле. Также магнитное поле зависит и от тока через катушку. Поэтому вполне правомерно оценивать способность катушки создавать магнитное поле просто умножив ток через катушку (А) на количество витков (W). Такая величина так и называется ампер – витки.

Катушка с сердечником

Магнитное поле, создаваемое катушкой, можно значительно увеличить, если внутрь катушки ввести сердечник из ферромагнитного материала. На рисунке 6 показана таблица с относительной магнитной проницаемостью различных веществ.

Например, трансформаторная сталь позволит сделать магнитное поле примерно в 7..7,5 тысяч раз сильней, чем при отсутствии сердечника. Другими словами, внутри сердечника магнитное поле будет вращать магнитную стрелку в 7000 раз сильнее (такое можно только представить мысленно).

Рисунок 6.

В верхней части таблицы разместились парамагнитные и диамагнитные вещества. Относительная магнитная проницаемость µ указана относительно вакуума. Следовательно, парамагнитные вещества немного усиливают магнитное поле, а диамагнитные чуть-чуть ослабляют. В общем, особого влияния на магнитное поле эти вещества не оказывают. Хотя, на высоких частотах для настройки контуров иногда применяются латунные или алюминиевые сердечники.

В нижней части таблицы разместились ферромагнитные вещества, которые значительно усиливают магнитное поле катушки с током. Так, например, сердечник из трансформаторной стали сделает магнитное поле сильнее ровно в 7500 раз.

Чем и как измерить магнитное поле

Когда понадобились единицы для измерения электрических величин, то в качестве эталона взяли заряд электрона. Из заряда электрона была сформирована вполне реальная и даже ощутимая единица – кулон, а на ее основе все оказалось просто: ампер, вольт, ом, джоуль, ватт, фарада.

А что можно взять в качестве отправной точки для измерения магнитных полей? Каким-то образом привязать к магнитному полю электрона весьма проблематично. Поэтому в качестве единицы измерения в магнетизме принят проводник, по которому протекает постоянный ток в 1 А.

Основной такой характеристикой является напряженность (H). Она показывает, с какой силой действует магнитное поле на упомянутый выше пробный проводник, если дело происходит в вакууме. Вакуум предназначается для исключения влияния среды, поэтому эту характеристику – напряженность считают абсолютно чистой. За единицу напряженности принят ампер на метр (а/м). Такая напряженность появляется на расстоянии 16см от проводника, по которому идет ток 1А.

Напряженность поля говорит лишь о теоретической способности магнитного поля. Реальную же способность к действию отражает другая величина магнитная индукция (B). Именно она показывает реальную силу, с которой магнитное поле действует на проводник с током в 1А.

Рисунок 7.

Если в проводнике длиной 1м протекает ток 1А, и он выталкивается (притягивается) с силой 1Н (102Г), то говорят, что величина магнитной индукции в данной точке ровно 1 тесла.

Магнитная индукция величина векторная, кроме численного значения она имеет еще и направление, которое всегда совпадает с направлением пробной магнитной стрелки в исследуемом магнитном поле.

Рисунок 8.

Единицей магнитной индукции является тесла (ТЛ), хотя на практике часто пользуются более мелкой единицей Гаусс: 1ТЛ = 10 000Гс. Много это или мало? Магнитное поле вблизи мощного магнита может достигать нескольких Тл, около магнитной стрелки компаса не более 100Гс, магнитное поле Земли вблизи поверхности примерно 0,01Гс и даже ниже.

Вектор магнитной индукции B характеризует магнитное поле лишь в одной точке пространства. Чтобы оценить действие магнитного поля в некотором пространстве вводится еще такое понятие, как магнитный поток (Φ).

По сути дела он представляет собой количество линий магнитной индукции, проходящих через данное пространство, через какую-то площадь: Φ=B*S*cosα. Эту картину можно представить в виде дождевых капель: одна линия это одна капля (B), а все вместе это магнитный поток Φ. Именно так в общий поток соединяются силовые магнитные линии отдельных витков катушки.

Рисунок 9.

В системе СИ за единицу магнитного потока принят Вебер (Вб), такой поток возникает, когда индукция в 1 Тл действует на площади 1 кв.м.

Магнитный поток в различных устройствах (двигатели, трансформаторы и т.п.), как правило, проходит определенным путем, называемым магнитной цепью или просто магнитопроводом. Если магнитная цепь замкнута (сердечник кольцевого трансформатора), то ее сопротивление невелико, магнитный поток проходит беспрепятственно, концентрируется внутри сердечника. На рисунке ниже показаны примеры катушек с замкнутым и разомкнутым магнитопроводами.

Рисунок 10.

Но сердечник можно распилить и вытащить из него кусочек, сделать магнитный зазор. Это увеличит общее магнитное сопротивление цепи, следовательно, уменьшит магнитный поток, а в целом уменьшится индукция во всем сердечнике. Это все равно как в электрическую цепь последовательно запаять большое сопротивление.

Рисунок 11.

Если получившийся зазор перекрыть куском стали, то получится, что параллельно зазору подключили дополнительный участок с меньшим магнитным сопротивлением, что и восстановит нарушенный магнитный поток. Это очень напоминает шунт в электрических цепях. Кстати, для магнитной цепи также существует закон, который называют законом Ома для магнитной цепи.

Рисунок 12.

Через магнитный шунт пойдет основная часть магнитного потока. Именно это явление и используется в магнитной записи звуковых или видеосигналов: ферромагнитный слой ленты перекрывает зазор в сердечнике магнитных головок, и весь магнитный поток замыкается через ленту.

Направление магнитного потока, создаваемого катушкой, можно определить, воспользовавшись правилом правой руки: если четыре вытянутых пальца указывают направление тока в катушке, то большой палец покажет направление магнитных линий, как показано на рисунке 13.

Рисунок 13.

Принято считать, что магнитные линии выходят из северного полюса и заходят в южный. Поэтому большой палец в данном случае указывает расположение южного полюса. Проверить так ли это, можно опять же с помощью стрелки компаса.

Как работает электродвигатель

Известно, что электричество может создавать свет и тепло, участвовать в электрохимических процессах. После знакомства с основами магнетизма можно рассказать о том, как работают электродвигатели.

Электродвигатели могут быть самой разной конструкции, мощности и принципа действия: например постоянного и переменного тока, шаговые или коллекторные. Но при всем многообразии конструкций принцип действия основан на взаимодействии магнитных полей ротора и статора.

Для получения этих магнитных полей по обмоткам пропускают ток. Чем больше ток, и чем выше магнитная индукция внешнего магнитного поля, тем мощнее двигатель. Для усиления этого поля используются магнитопроводы, поэтому в электрических двигателях так много стальных деталей. В некоторых моделях двигателей постоянного тока используются постоянные магниты.

Рисунок 14.

Здесь, можно сказать, все понятно и просто: пропустили по проводу ток, получили магнитное поле. Взаимодействие с другим магнитным полем заставляет этот проводник двигаться, да еще и совершать механическую работу.

Направление вращения можно определить по правилу левой руки. Если четыре вытянутых пальца показывают направление тока в проводнике, а магнитные линии входят в ладонь, то отогнутый большой палец укажет направление выталкивания проводника в магнитном поле.

Наибольший практический интерес представляет собой магнитное поле катушки с током. На рисунке 97 изображена катушка, состоящая из большого числа витков провода, намотанного на деревянный каркас. Когда в катушке есть ток, железные опилки притягиваются к её концам, при отключении тока они отпадают.

Рис. 97. Притяжение железных опилок катушкой с током

Если катушку с током подвесить на тонких и гибких проводниках, то она установится так же, как магнитная стрелка компаса. Один конец катушки будет обращен к северу, другой – к югу. Значит, катушка с током, как и магнитная стрелка, имеет два полюса – северный и южный (рис. 98).

Рис. 98. Полюсы катушки с током

Вокруг катушки с током имеется магнитное поле. Его, как и поле прямого тока, можно обнаружить при помощи опилок (рис. 99). Магнитные линии магнитного поля катушки с током являются также замкнутыми кривыми. Принято считать, что вне катушки они направлены от северного полюса катушки к южному (см. рис. 99).

Рис. 99. Магнитные линии катушки с током

Катушки с током широко используют в технике в качестве магнитов. Они удобны тем, что их магнитное действие можно изменять (усиливать или ослаблять) в широких пределах. Рассмотрим способы, при помощи которых можно это делать.

На рисунке 97 изображён опыт, в котором наблюдается действие магнитного поля катушки с током. Если заменить катушку другой, с большим числом витков проволоки, то при той же силе тока она притянет больше железных предметов. Значит, магнитное действие катушки с током тем сильнее, чем больше число витков в ней .

Включим в цепь, содержащую катушку, реостат (рис. 100) и при помощи него будем изменять силу тока в катушке. При увеличении силы тока действие магнитного поля катушки с током усиливается, при уменьшении – ослабляется .

Рис. 100. Действие магнитного поля катушки

Оказывается также, что магнитное действие катушки с током можно значительно усилить, не меняя число её витков и силу тока в ней. Для этого надо ввести внутрь катушки железный стержень (сердечник). Железо, введённое внутрь катушки, усиливает магнитное действие катушки (рис. 101).

Рис. 101. Действие магнитного поля катушки с железным сердечником

Катушка с железным сердечником внутри называется электромагнитом .

Электромагнит – одна из основных деталей многих технических приборов. На рисунке 102 изображён дугообразный электромагнит, удерживающий якорь (железную пластинку) с подвешенным грузом.

Рис. 102. Дугообразный электромагнит

Электромагниты широко применяют в технике благодаря их замечательным свойствам. Они быстро размагничиваются при выключении тока, в зависимости от назначения их можно изготавливать самых различных размеров, во время работы электромагнита можно регулировать его магнитное действие, меняя силу тока в катушке.

Электромагниты, обладающие большой подъёмной силой, используют на заводах для переноски изделий из стали или чугуна, а также стальных и чугунных стружек, слитков (рис. 103).

Рис. 103. Применение электромагнитов

На рисунке 104 показан в разрезе магнитный сепаратор для зерна. В зерно подмешивают очень мелкие железные опилки. Эти опилки не прилипают к гладким зёрнам полезных злаков, но прилипают к зёрнам сорняков. Зёрна 1 высыпаются из бункера на вращающийся барабан 2. Внутри барабана находится сильный электромагнит 5. Притягивая железные частицы 4, он извлекает зёрна сорняков из потока зерна 3 и таким путём очищает зерно от сорняков и случайно попавших железных предметов.

Рис. 104. Магнитный сепаратор

Применяются электромагниты в телеграфном, телефонном аппаратах и во многих других устройствах.

Вопросы

1. В каком направлении устанавливается катушка с током, подвешенная на длинных тонких проводниках? Какое сходство имеется у неё с магнитной стрелкой?
2. Какими способами можно усилить магнитное действие катушки с током?
3. Что называют электромагнитом?
4. Для каких целей используют на заводах электромагниты?
5. Как устроен магнитный сепаратор для зерна?

Упражнение 41

1. Нужно построить электромагнит, подъёмную силу которого можно регулировать, не изменяя конструкции. Как это сделать?
2. Что надо сделать, чтобы изменить магнитные полюсы катушки с током на противоположные?
3. Как построить сильный электромагнит, если конструктору дано условие, чтобы ток в электромагните был сравнительно малым?
4. Используемые в подъёмном кране электромагниты обладают громадной мощностью. Электромагниты, при помощи которых удаляют из глаз случайно попавшие железные опилки, очень слабы. Какими способами достигают такого различия?

Задание

Если прямой проводник свернуть в виде окружности, то можно исследовать магнитное поле кругового тока.
Проведем опыт (1). Провод в виде окружности пропустим через картон. Поместим несколько свободных магнитных стрелок на поверхности картона в различных точках. Включим ток и видим, что магнитные стрелочки в центре витка показывают направление одинаковое, а вне витка с обеих сторон в другую сторону.
Теперь повторим опыт (2), поменяв полюса, а значит и направление тока. Видим, что магнитные стрелочки изменили направление на всей поверхности картона на 180 градусов.
Сделаем вывод: магнитные линии кругового тока то же зависят от направления тока в проводнике.
Проведем опыт 3. Уберем магнитные стрелочки, включим электрический ток и осторожно по всей поверхности картона насыплем мелкие железные опилки У нас получилась картина магнитных силовых линий, которая называется «спектр магнитного поля кругового тока» . Как же в этом случае определить направление магнитных силовых линий? Вновь применим правило буравчика, но в применении к круговому току. Если направление вращения ручки буравчика совместить с направлением тока в круговом проводнике, то направление поступательного движения буравчика будет совпадать с направлением магнитных силовых линий.
Рассмотрим несколько случаев.
1. Плоскость витка лежит в плоскости листа, ток по витку идет по часовой стрелке. Вращая виток по часовой стрелке, мы определяем, что магнитные силовые линии в центре витка направлены внутрь витка «от нас». Это условно обозначается знаком «+» (плюс). Т.е. в центре витка мы ставим «+»
2. Плоскость витка лежит в плоскости листа, ток по витку идет против часовой стрелки. Вращая виток против часовой стрелки, мы определяем, что магнитные силовые линии выходят из цента витка «к нам». Это условно обозначается «∙» (точкой). Т.е. в центе витка мы должны поставить точку («∙»).
Если прямой проводник намотать на цилиндр, то получится катушка с током, или соленоид.
Проведем опыт (4.) Используем для опыта ту же цепь, только провод теперь пропущен через картон в виде катушки. Расположим несколько свободных магнитных стрелок на плоскости картона в различных точках: у обоих концов катушки, внутри катушки и с обеих сторон снаружи. Пусть катушка расположена горизонтально (в направлении «слева – направо»). Включим цепь и обнаружим, что магнитные стрелки, расположенные по оси катушки, показывают одно направление. Отмечаем, что у правого конца катушки стрелка показывает, что силовые линии входят в катушку, значит -это «южный полюс» (S), а в левом магнитная стрелка показывает, что выходят, это «северный полюс» (N). Снаружи катушки магнитные стрелки имеют противоположное направление по сравнению с направлением внутри катушки.
Проведем опыт (5). В этой же цепи поменяем направление тока. Обнаружим, что направление всех магнитных стрелок изменилось, они повернулись на 180 градусов. Делаем вывод: направление магнитных силовых линий зависит от направления тока по виткам катушки.
Проведем опыт (6). Уберем магнитные стрелки и включим цепь. Осторожно «посолим железными опилками» картон внутри и снаружи катушки. Получим картину магнитных силовых линий, которая называется «спектр магнитного поля катушки с током»
А как же определить направление магнитных силовых линий? Направление магнитных силовых линий определяется по правилу буравчика так же, как и для витка с током: Если направление вращения ручки буравчика совместить с направлением тока в витках, то направление поступательного движения совпадет с направлением магнитных силовых линий внутри соленоида. Магнитное поле соленоида похоже на магнитное поле постоянного полосового магнита. Тот конец катушки, из которого выходят силовые линии, будет «северным полюсом» (N), а тот, в который входят силовые линии – «южным полюсом» (S).
После открытия Ганса Эрстеда многие ученые стали повторять его опыты, придумывая новые, чтобы обнаружить доказательства связи электричества и магнетизма. Французский ученый Доминик Араго поместил железный стержень, в стеклянную трубку и поверх нее намотал медный провод, по которому пропустил электрический ток. Как только Араго замкнул электрическую цепь, стержень из железа так сильно намагнитился, что притянул к себе железные ключи. Чтобы оторвать ключи, пришлось приложить значительные усилия. Когда Араго отключил источник тока, то ключи отвалились сами! Так Араго изобрел первый электромагнит. Современные электромагниты состоят из трех частей: обмотки, сердечника и якоря. Провода помещают в специальную оболочку, которая играет роль изолятора. Проводом наматывают многослойную катушку – обмотку электромагнита. В качестве сердечника используют стальной стержень. Пластина, которая притягивается к сердечнику, называется якорем. Электромагниты получили широкое применение в промышленности благодаря их свойствам: они быстро размагничиваются при выключении тока; их можно изготавливать самых различных размеров в зависимости от назначения; меняя силу тока можно регулировать магнитное действие электромагнита. Электромагниты применяются на заводах для переноски изделий из стали и чугуна. Эти магниты имеют большую подъемную силу. Применяются электромагниты также в электрическом звонке, электромагнитных сепараторах, в микрофонах, в телефонах. Сегодня мы рассмотрели магнитное поле кругового тока, катушки с током. Познакомились с электромагнитами, их применением в промышленности и в народном хозяйстве.

Если в пространстве вокруг неподвижных электрических зарядов существует электростатическое поле, то в пространстве вокруг движущихся зарядов (как и вокруг изменяющихся во времени электрических полей, что изначально предположил Максвелл) существует . Это легко наблюдать экспериментально.

Именно благодаря магнитному полю и взаимодействуют между собой электрические токи, а также постоянные магниты и токи с магнитами. По сравнению с электрическим взаимодействием, магнитное взаимодействие является значительно более сильным. Это взаимодействие в свое время изучал Андре-Мари Ампер.

В физике характеристикой магнитного поля служит B, и чем она больше, тем сильнее магнитное поле. Магнитная индукция В – величина векторная, ее направление совпадает с направлением силы, действующей на северный полюс условной магнитной стрелки, помещенной в какую-нибудь точку магнитного поля, – магнитное поле сориентирует магнитную стрелку в направлении вектора В, то есть в направлении магнитного поля.

Вектор В в каждой точке линии магнитной индукции направлен к ней по касательной. То есть индукция В характеризует силовое действие магнитного поля на ток. Похожую роль играет напряженность Е для электрического поля, характеризующая силовое действие электрического поля на заряд.

Простейший эксперимент с железными опилками позволяет наглядно продемонстрировать явление действия магнитного поля на намагниченный объект, поскольку в постоянном магнитном поле маленькие кусочки ферромагнетика (такими кусочками являются железные опилки) становится, намагничиваясь по полю, магнитными стрелками, словно маленькими стрелками компаса.

Если взять вертикальный медный проводник, и продеть его через отверстие в горизонтально расположенном листе бумаги (или оргстекла, или фанеры), а затем насыпать металлические опилки на лист, и немного встряхнуть его, после чего пропустить по проводнику постоянный ток, то легко заметить, как опилки выстроятся в форме вихря по окружностям вокруг проводника, в плоскости перпендикулярной току в нем.

Эти окружности из опилок как раз и будут условным изображением линий магнитной индукции В магнитного поля проводника с током. Центр окружностей, в данном эксперименте, будет расположен ровно в центре, по оси проводника с током.

Направление векторов магнитной индукции В проводника с током легко определить или по правилу правого винта: при поступательном движении оси винта по направлению тока в проводнике, направление вращения винта или рукоятки буравчика (вкручиваем или выкручиваем винт) укажет направление магнитного поля вокруг тока.

Почему применяется правило буравчика? Поскольку операция ротор (обозначаемая в теории поля rot), используемая в двух уравнениях Максвелла, может быть записана формально как векторное произведение (с оператором набла), а главное потому, что ротор векторного поля может быть уподоблен (представляет собой аналогию) угловой скорости вращения идеальной жидкости (как представлял сам Максвелл), поле скоростей течения которой изображает собой данное векторное поле, можно воспользоваться для ротора теми формулировками правила, которые описаны для угловой скорости.

Таким образом, если крутить буравчик в направлении завихрения векторного поля, то он будет ввинчиваться в направлении вектора ротора этого поля.

Как видите, в отличие от линий напряженности электростатического поля, которые в пространстве разомкнуты, линии магнитной индукции, окружающие электрический ток, замкнуты. Если линии электрической напряженности Е начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных, то линии магнитной индукции В просто замкнуты вокруг порождающего их тока.

Теперь усложним эксперимент. Рассмотрим вместо прямого проводника с током виток с током. Допустим, нам удобно расположить такой контур перпендикулярно плоскости рисунка, причем слева ток направлен на нас, а справа – от нас. Если теперь внутри витка с током разместить компас с магнитной стрелкой, то магнитная стрелка укажет направление линий магнитной индукции – они окажутся направлены по оси витка.

Почему? Потому что противоположные стороны от плоскости витка окажутся аналогичны полюсам магнитной стрелки. Откуда линии В выходят – это северный магнитный полюс, куда входят – южный полюс. Это легко понять, если сначала рассмотреть проводник с током и с его магнитным полем, а затем просто свернуть проводник в кольцо.

Для определения направления магнитной индукции витка с током также пользуются правилом буравчика или правилом правого винта. Поместим острие буравчика по центру витка, и станем его вращать по часовой стрелке. Поступательное движение буравчика совпадет по направлению с вектором магнитной индукции В в центре витка.

Очевидно, направление магнитного поля тока связано с направлением тока в проводнике, будь то прямой проводник или виток.

Принято считать, что та сторона катушки или витка с током, откуда линии магнитной индукции В выходят (направление вектора В наружу) – это и есть северный магнитный полюс, а куда линии входят (вектор В направлен внутрь) – это южный магнитный полюс.

Если множество витков с током образуют длинную катушку – соленоид (длина катушки во много раз превышает ее диаметр), то магнитное поле внутри нее однородно, то есть линии магнитной индукции В параллельны друг другу, и имеют одинаковую плотность по всей длине катушки. Кстати, магнитное поле постоянного магнита похоже снаружи на магнитное поле катушки с током.

Для катушки с током I, длиной l, с количеством витков N, магнитная индукция в вакууме будет численно равна:

Итак, магнитное поле внутри катушки с током является однородным, и направлено от южного к северному полюсу (внутри катушки!) Магнитная индукция внутри катушки пропорциональна по модулю числу ампер-витков на единицу длины катушки с током.

Магнитное поле катушки с током

Опыт показывает, что индукция магнитного поля на расстоянии R от прямого проводника с током пропорциональна I и обратно пропорциональна R.

где μ₀ = 4π∙10^—7 Н/А² ≈ 1,26∙10^—6 Н/А².

Магнитное поле катушки с током. Соленоид. Усиление действия магнитного поля катушки с током железным сердечником

В центре кругового витка с током индукция магнитного поля направлена по нормали к витку.

В центре кругового проводника радиуса R по которому протекает ток I индукция магнитного поля равна

где магнитная постоянная μ₀ = 4π∙10^—7 Н/А² ≈ 1,26∙10^—6 Н/А².

Соленоидом называется проводник, свернутый в виде спирали, в которой N витков, а длина l значительно больше диаметра. Слово «соленоид» происходит от греческих solen — трубка, eidos — вид.

Магнитное поле соленоида (катушки с током), который представляет несколько витков с током, является однородным, магнитное поле вне соленоида мало по сравнению с полем внутри. Модуль вектора индукции магнитного поля соленоида (катушки с током)

где n — число витков в соленоиде, I — сила тока, N — число витков, — число витков на единицу длины соленоида (катушки с током).

Магнитное поле соленоида (катушки с током) можно значительно усилить, не увеличивая число витков и не увеличивая силу тока. Для этого надо ввести внутрь катушки железный стержень (ферромагнетик), который называется сердечником. Это используют при изготовлении электромагнитов, трансформаторов, электродвигателей и т. д.

Магнитное поле катушки можно. Магнитное поле на оси короткой катушки с током. и магнитный поток

Тест по физике Магнитное поле катушки с током, Электромагниты для учащихся 8 класса с ответами. Тест включает в себя 11 заданий с выбором ответа.

1. Катушка с током представляет собой

1) витки провода, включаемые в электрическую цепь
2) прибор, состоящий из витков провода, включаемых в элек­трическую цепь
3) каркас в виде катушки, на который намотан провод, соеди­ненный с клеммами, подключаемыми к источнику тока

2. Как располагается катушка с током, висящая на гибких про­водниках и способная свободно поворачиваться в горизонталь­ной плоскости?

1) Произвольно, т.е. в любом направлении
2) Перпендикулярно направлению север-юг
3) Как компас: ее ось приобретает направленность на южный и северный полюсы Земли

3. Какие полюсы имеет катушка с током? Где они находятся?

1) Северный и южный; на концах катушки
2) Северный и южный; в середине катушки
3) Западный и восточный; на концах катушки

4. Какова форма магнитных линий магнитного поля катушки с током? Каково их направление?

1) Кривые, охватывающие катушку снаружи; от северного полюса к южному
2) Замкнутые кривые, охватывающие все витки катушки и проходящие сквозь ее отверстия; от северного полюса к южному
3) Замкнутые кривые, проходящие внутри и снаружи катуш­ки; от южного полюса к северному

5. От чего зависит магнитное действие катушки с током?

1) От числа витков, силы тока и напряжения на ее концах
2) От силы тока, сопротивления провода и наличия или отсут­ствия железного сердечника внутри катушки
3) От числа витков, силы тока и наличия или отсутствия же­лезного сердечника

6. На схемах условными знаками изображены катушки, отли­чающиеся друг от друга только числом витков. Какая из них окажет наименьшее магнитное действие при равных силах тока в них?

1) №1
2) №2
3) №3

7. Силу тока в катушке уменьшили. Как изменилось ее магнитное действие?

1) Увеличилось
2) Уменьшилось
3) Не изменилось

8. Электромагнит — это

1) катушка с железным сердечником внутри
2) любая катушка с током
3) катушка, в которой можно изменять силу тока

9. Какой прибор надо включить в цепь электромагнита, чтобы регулировать его магнитное действие?

1) Гальванометр
2) Амперметр
3) Реостат

10. У электромагнита, включенного в цепь, образовались обозна­ченные на рисунке полюсы, к которым притянулись желез­ные гвоздики. Что надо сделать, чтобы у него слева оказался северный полюс, а справа — южный? Притянутся ли после этого к полюсам гвоздики?

1) Изменить направление электри­ческого тока; да
2) Изменить направление электри­ческого тока; нет
3) Изменить напряжение в цепи; да

11. Какое действие надо выполнить, чтобы электромагнит пере­стал притягивать к себе железные тела?

1) Изменить направление тока
2) Разомкнуть электрическую цепь
3) Уменьшить силу тока

Ответы на тест по физике Магнитное поле катушки с током, Электромагниты
1-3
2-3
3-1
4-2
5-3
6-2
7-2
8-1
9-3
10-1
11-2

Создает вокруг себя магнитное поле . Человек не был бы собой, если бы не придумал, как использовать такое замечательное свойство тока. На основе этого явления человек создал электромагниты.

Их применение очень широко и повсеместно в современном мире. Электромагниты замечательны тем, что в отличие от постоянных магнитов, их можно включать и выключать при необходимости, а также менять силу магнитного поля вокруг них. Каким образом используются магнитные свойства тока? Как создаются и используются электромагниты?

Магнитное поле катушки с током

В результате экспериментов удалось выяснить, что магнитное поле вокруг проводника с током можно усилить, если провод свернуть в форме спирали. Получается своего рода катушка. Магнитное поле такой катушки много больше магнитного поля одинокого проводника.

Причем силовые линии магнитного поля катушки с током располагаются схожим образом с силовыми линиями обычного прямоугольного магнита. Катушка имеет два полюса и дугами расходящиеся магнитные линии вдоль катушки. Такой магнит можно в любой момент включить и выключить, соответственно, включая и выключая ток в проводах катушки.

Способы влияния на магнитные силы катушки

Однако, оказалось, что катушка с током имеет и другие замечательные свойства. Чем из большего количества витков состоит катушка, тем сильнее становится магнитное поле. Это позволяет собирать магниты различной силы действия. Однако есть более простые способы воздействия на величину магнитного поля.

Так, при увеличении силы тока в проводах катушки возрастает сила магнитного поля, и, наоборот, при уменьшении силы тока, магнитное поле ослабевает. То есть, при элементарном подключении реостата, мы получаем регулируемый магнит.

Магнитное поле катушки с током можно значительно усилить, введя внутрь спирали железный стержень. Он называется сердечником. Применение сердечника позволяет создавать очень мощные магниты. Например, в производстве используют магниты, способные поднимать и удерживать несколько десятков тонн веса. Это достигается следующим образом.

Сердечник изгибают в виде дуги, а на два его конца надевают две катушки, по которым пускают ток. Катушки соединяют проводами 4е так, что их полюса совпадают. Сердечник усиливает их магнитное поле. Снизу к этой конструкции подводят пластину с крюком, на который подвешивают груз. Подобные устройства используют на заводах и в портах для того, чтобы перемещать грузы очень большого веса. Эти грузы легко подсоединяются и отсоединяются при включении и отключении тока в катушках.

Электромагниты и их применение

Электромагниты используют настолько повсеместно, что, пожалуй, трудно назвать электромеханический прибор, в котором бы они не применялись. Двери в подъездах удерживаются электромагнитами.

Электродвигатели самых различных устройств преобразуют электрическую энергию в механическую с помощью электромагнитов. Звук в колонках создается с помощью магнитов. И это далеко не полный список. Огромное количество удобств современной жизни обязано своим существованием применению электромагнитов.

Что вы себе представляете под словом “катушка” ? Ну… это, наверное, какая-нибудь “фиговинка”, на которой намотаны нитки, леска, веревка, да что угодно! Катушка индуктивности представляет из себя точь-в-точь то же самое, но вместо нитки, лески или чего-нибудь еще там намотана обыкновенная медная проволока в изоляции.

Изоляция может быть из бесцветного лака, из ПВХ-изоляции и даже из матерчатой. Тут фишка такая, что хоть и провода в катушке индуктивности очень плотно прилегают к друг другу, они все равно изолированы друг от друга . Если будете мотать катушки индуктивности своими руками, ни в коем случае не вздумайте брать обычный медный голый провод!

Индуктивность

Любая катушка индуктивности обладает индуктивностью . Индуктивность катушки измеряется в Генри (Гн), обозначается буковкой L и замеряется с помощью LC – метра .

Что такое индуктивность? Если через провод пропустить электрический ток, то он вокруг себя создаст магнитное поле:

где

В – магнитное поле, Вб

I –

А давайте возьмем и намотаем в спиральку этот провод и подадим на его концы напряжение

И у нас получится вот такая картина с магнитными силовыми линиями:

Грубо говоря, чем больше линий магнитного поля пересекут площадь этого соленоида, в нашем случае площадь цилиндра, тем больше будет магнитный поток (Ф) . Так как через катушку течет электрический ток, значит, через нее проходит ток с Силой тока (I), а коэффициент между магнитным потоком и силой тока называется индуктивностью и вычисляется по формуле:

С научной же точки зрения, индуктивность – это способность извлекать энергию из источника электрического тока и сохранять ее в виде магнитного поля. Если ток в катушке увеличивается, магнитное поле вокруг катушки расширяется, а если ток уменьшается, то магнитное поле сжимается.

Самоиндукция

Катушка индуктивности обладает также очень интересным свойством. При подаче на катушку постоянного напряжения, в катушке возникает на короткий промежуток времени противоположное напряжение.

Это противоположное напряжение называется ЭДС самоиндукции. Эта зависит от значения индуктивности катушки. Поэтому, в момент подачи напряжения на катушку сила тока в течение долей секунд плавно меняет свое значение от 0 до некоторого значения, потому что напряжение, в момент подачи электрического тока, также меняет свое значение от ноля и до установившегося значения. Согласно Закону Ома :

где

I – сила тока в катушке, А

U – напряжение в катушке, В

R – сопротивление катушки, Ом

Как мы видим по формуле, напряжение меняется от нуля и до напряжения, подаваемого в катушку, следовательно и ток тоже будет меняться от нуля и до какого то значения. Сопротивление катушки для постоянного тока также постоянное.

И второй феномен в катушке индуктивности заключается в том, что если мы разомкнем цепь катушка индуктивности – источник тока, то у нас ЭДС самоиндукции будет суммироваться к напряжению, которое мы уже подали на катушку.

То есть как только мы разрываем цепь, на катушке напряжение в этот момент может быть в разы больше, чем было до размыкания цепи, а сила тока в цепи катушки будет тихонько падать, так как ЭДС самоиндукции будет поддерживать убывающее напряжение.

Сделаем первые выводы о работе катушки индуктивности при подаче на нее постоянного тока. При подаче на катушку электрического тока, сила тока будет плавно увеличиваться, а при снятии электрического тока с катушки, сила тока будет плавно убывать до нуля. Короче говоря, сила тока в катушке мгновенно измениться не может.

Типы катушек индуктивности

Катушки индуктивности делятся в основном на два класса: с магнитным и немагнитным сердечником . Снизу на фото катушка с немагнитным сердечником.

Но где у нее сердечник? Воздух – это немагнитный сердечник:-). Такие катушки также могут быть намотаны на какой-нибудь цилиндрической бумажной трубочке. Индуктивность катушек с немагнитным сердечником используется, когда индуктивность не превышает 5 миллигенри.

А вот катушки индуктивности с сердечником:

В основном используют сердечники из феррита и железных пластин. Сердечники повышают индуктивность катушек в разы. Сердечники в виде кольца (тороидальные) позволяют получить большую индуктивность, нежели просто сердечники из цилиндра.

Для катушек средней индуктивности используются ферритовые сердечники:

Катушки с большой индуктивностью делают как трансформатор с железным сердечником, но с одной обмоткой, в отличие от трансформатора.

Дроссели

Также есть особый вид катушек индуктивностей. Это так называемые . Дроссель – это катушка индуктивности, задача которой состоит в том, чтобы создать в цепи большое сопротивление для переменного тока, чтобы подавить токи высоких частот.

Постоянный ток через дроссель проходит без проблем. Почему это происходит, можете прочитать в этой статье. Обычно дроссели включаются в цепях питания усилительных устройств. Дроссели предназначены для защиты источников питания от попадания в них высокочастотных сигналов (ВЧ-сигналов). На низких частотах (НЧ) они используются цепей питания и обычно имеют металлические или ферритовые сердечники. Ниже на фото силовые дроссели:

Также существует еще один особый вид дросселей – это . Он представляет из себя две встречно намотанных катушки индуктивности. За счет встречной намотки и взаимной индукции он более эффективен. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания, а также в звуковой технике.

Опыты с катушкой

От каких факторов зависит индуктивность катушки? Давайте проведем несколько опытов. Я намотал катушку с немагнитным сердечником. Ее индуктивность настолько мала, что LC – метр мне показывает ноль.

Имеется ферритовый сердечник

Начинаю вводить катушку в сердечник на самый край

LC-метр показывает 21 микрогенри.

Ввожу катушку на середину феррита

35 микрогенри. Уже лучше.

Продолжаю вводить катушку на правый край феррита

20 микрогенри. Делаем вывод, самая большая индуктивность на цилиндрическом феррите возникает в его середине. Поэтому, если будете мотать на цилиндрике, старайтесь мотать в середине феррита. Это свойство используется для плавного изменения индуктивности в переменных катушках индуктивности:

где

1 – это каркас катушки

2 – это витки катушки

3 – сердечник, у которого сверху пазик под маленькую отвертку. Вкручивая или выкручивая сердечник, мы тем самым изменяем индуктивность катушки.

Индуктивность стала почти 50 микрогенри!

А давайте-ка попробуем расправим витки по всему ферриту

13 микрогенри. Делаем вывод: для максимальной индуктивности мотать катушку надо “виток к витку”.

Убавим витки катушки в два раза. Было 24 витка, стало 12.

Совсем маленькая индуктивность. Убавил количество витков в 2 раза, индуктивность уменьшилась в 10 раз. Вывод: чем меньше количество витков – тем меньше индуктивность и наоборот. Индуктивность меняется не прямолинейно виткам.

Давайте поэкспериментируем с ферритовым кольцом.

Замеряем индуктивность

15 микрогенри

Отдалим витки катушки друг от друга

Замеряем снова

Хм, также 15 микрогенри. Делаем вывод: расстояние от витка до витка не играет никакой роли в катушке индуктивности тороидального исполнения.

Мотнем побольше витков. Было 3 витка, стало 9.

Замеряем

Офигеть! Увеличил количество витков в 3 раза, а индуктивность увеличилась в 12 раз! Вывод: индуктивность меняется не прямолинейно виткам.

Если верить формулам для расчета индуктивностей, индуктивность зависит от “витков в квадрате”. Эти формулы я здесь выкладывать не буду, потому как не вижу надобности. Скажу только, что индуктивность зависит еще от таких параметров, как сердечник (из какого материала он сделан), площадь поперечного сечения сердечника, длина катушки.

Обозначение на схемах

Последовательное и параллельное соединение катушек

При последовательном соединении индуктивностей , их общая индуктивность будет равняться сумме индуктивностей.

А при параллельном соединении получаем вот так:

При соединении индуктивностей должно выполняться правило, чтобы они были пространственно разнесены на плате. Это связано с тем, что при близком расположении друг друга их магнитные поля будут влиять с друг другом, и поэтому показания индуктивностей будут неверны. Не ставьте на одну железную ось две и более тороидальных катушек. Это может привести к неправильным показаниям общей индуктивности.

Резюме

Катушка индуктивности играет в электронике очень большую роль, особенно в приемопередающей аппаратуре. На катушках индуктивности строятся также различные для электронной радиоаппаратуры, а в электротехнике ее используют также в качестве ограничителя скачка силы тока.

Ребята из Паяльника забабахали очень неплохой видос про катушку индуктивности. Советую посмотреть в обязательном порядке:

Наибольший практический интерес представляет собой магнитное поле катушки с током. На рисунке 97 изображена катушка, состоящая из большого числа витков провода, намотанного на деревянный каркас. Когда в катушке есть ток, железные опилки притягиваются к её концам, при отключении тока они отпадают.

Рис. 97. Притяжение железных опилок катушкой с током

Если катушку с током подвесить на тонких и гибких проводниках, то она установится так же, как магнитная стрелка компаса. Один конец катушки будет обращен к северу, другой – к югу. Значит, катушка с током, как и магнитная стрелка, имеет два полюса – северный и южный (рис. 98).

Рис. 98. Полюсы катушки с током

Вокруг катушки с током имеется магнитное поле. Его, как и поле прямого тока, можно обнаружить при помощи опилок (рис. 99). Магнитные линии магнитного поля катушки с током являются также замкнутыми кривыми. Принято считать, что вне катушки они направлены от северного полюса катушки к южному (см. рис. 99).

Рис. 99. Магнитные линии катушки с током

Катушки с током широко используют в технике в качестве магнитов. Они удобны тем, что их магнитное действие можно изменять (усиливать или ослаблять) в широких пределах. Рассмотрим способы, при помощи которых можно это делать.

На рисунке 97 изображён опыт, в котором наблюдается действие магнитного поля катушки с током. Если заменить катушку другой, с большим числом витков проволоки, то при той же силе тока она притянет больше железных предметов. Значит, магнитное действие катушки с током тем сильнее, чем больше число витков в ней .

Включим в цепь, содержащую катушку, реостат (рис. 100) и при помощи него будем изменять силу тока в катушке. При увеличении силы тока действие магнитного поля катушки с током усиливается, при уменьшении – ослабляется .

Рис. 100. Действие магнитного поля катушки

Оказывается также, что магнитное действие катушки с током можно значительно усилить, не меняя число её витков и силу тока в ней. Для этого надо ввести внутрь катушки железный стержень (сердечник). Железо, введённое внутрь катушки, усиливает магнитное действие катушки (рис. 101).

Рис. 101. Действие магнитного поля катушки с железным сердечником

Катушка с железным сердечником внутри называется электромагнитом .

Электромагнит – одна из основных деталей многих технических приборов. На рисунке 102 изображён дугообразный электромагнит, удерживающий якорь (железную пластинку) с подвешенным грузом.

Рис. 102. Дугообразный электромагнит

Электромагниты широко применяют в технике благодаря их замечательным свойствам. Они быстро размагничиваются при выключении тока, в зависимости от назначения их можно изготавливать самых различных размеров, во время работы электромагнита можно регулировать его магнитное действие, меняя силу тока в катушке.

Электромагниты, обладающие большой подъёмной силой, используют на заводах для переноски изделий из стали или чугуна, а также стальных и чугунных стружек, слитков (рис. 103).

Рис. 103. Применение электромагнитов

На рисунке 104 показан в разрезе магнитный сепаратор для зерна. В зерно подмешивают очень мелкие железные опилки. Эти опилки не прилипают к гладким зёрнам полезных злаков, но прилипают к зёрнам сорняков. Зёрна 1 высыпаются из бункера на вращающийся барабан 2. Внутри барабана находится сильный электромагнит 5. Притягивая железные частицы 4, он извлекает зёрна сорняков из потока зерна 3 и таким путём очищает зерно от сорняков и случайно попавших железных предметов.

Рис. 104. Магнитный сепаратор

Применяются электромагниты в телеграфном, телефонном аппаратах и во многих других устройствах.

Вопросы

1. В каком направлении устанавливается катушка с током, подвешенная на длинных тонких проводниках? Какое сходство имеется у неё с магнитной стрелкой?
2. Какими способами можно усилить магнитное действие катушки с током?
3. Что называют электромагнитом?
4. Для каких целей используют на заводах электромагниты?
5. Как устроен магнитный сепаратор для зерна?

Упражнение 41

1. Нужно построить электромагнит, подъёмную силу которого можно регулировать, не изменяя конструкции. Как это сделать?
2. Что надо сделать, чтобы изменить магнитные полюсы катушки с током на противоположные?
3. Как построить сильный электромагнит, если конструктору дано условие, чтобы ток в электромагните был сравнительно малым?
4. Используемые в подъёмном кране электромагниты обладают громадной мощностью. Электромагниты, при помощи которых удаляют из глаз случайно попавшие железные опилки, очень слабы. Какими способами достигают такого различия?

Задание

Если прямой проводник свернуть в виде окружности, то можно исследовать магнитное поле кругового тока.
Проведем опыт (1). Провод в виде окружности пропустим через картон. Поместим несколько свободных магнитных стрелок на поверхности картона в различных точках. Включим ток и видим, что магнитные стрелочки в центре витка показывают направление одинаковое, а вне витка с обеих сторон в другую сторону.
Теперь повторим опыт (2), поменяв полюса, а значит и направление тока. Видим, что магнитные стрелочки изменили направление на всей поверхности картона на 180 градусов.
Сделаем вывод: магнитные линии кругового тока то же зависят от направления тока в проводнике.
Проведем опыт 3. Уберем магнитные стрелочки, включим электрический ток и осторожно по всей поверхности картона насыплем мелкие железные опилки У нас получилась картина магнитных силовых линий, которая называется «спектр магнитного поля кругового тока» . Как же в этом случае определить направление магнитных силовых линий? Вновь применим правило буравчика, но в применении к круговому току. Если направление вращения ручки буравчика совместить с направлением тока в круговом проводнике, то направление поступательного движения буравчика будет совпадать с направлением магнитных силовых линий.
Рассмотрим несколько случаев.
1. Плоскость витка лежит в плоскости листа, ток по витку идет по часовой стрелке. Вращая виток по часовой стрелке, мы определяем, что магнитные силовые линии в центре витка направлены внутрь витка «от нас». Это условно обозначается знаком «+» (плюс). Т.е. в центре витка мы ставим «+»
2. Плоскость витка лежит в плоскости листа, ток по витку идет против часовой стрелки. Вращая виток против часовой стрелки, мы определяем, что магнитные силовые линии выходят из цента витка «к нам». Это условно обозначается «∙» (точкой). Т.е. в центе витка мы должны поставить точку («∙»).
Если прямой проводник намотать на цилиндр, то получится катушка с током, или соленоид.
Проведем опыт (4.) Используем для опыта ту же цепь, только провод теперь пропущен через картон в виде катушки. Расположим несколько свободных магнитных стрелок на плоскости картона в различных точках: у обоих концов катушки, внутри катушки и с обеих сторон снаружи. Пусть катушка расположена горизонтально (в направлении «слева – направо»). Включим цепь и обнаружим, что магнитные стрелки, расположенные по оси катушки, показывают одно направление. Отмечаем, что у правого конца катушки стрелка показывает, что силовые линии входят в катушку, значит -это «южный полюс» (S), а в левом магнитная стрелка показывает, что выходят, это «северный полюс» (N). Снаружи катушки магнитные стрелки имеют противоположное направление по сравнению с направлением внутри катушки.
Проведем опыт (5). В этой же цепи поменяем направление тока. Обнаружим, что направление всех магнитных стрелок изменилось, они повернулись на 180 градусов. Делаем вывод: направление магнитных силовых линий зависит от направления тока по виткам катушки.
Проведем опыт (6). Уберем магнитные стрелки и включим цепь. Осторожно «посолим железными опилками» картон внутри и снаружи катушки. Получим картину магнитных силовых линий, которая называется «спектр магнитного поля катушки с током»
А как же определить направление магнитных силовых линий? Направление магнитных силовых линий определяется по правилу буравчика так же, как и для витка с током: Если направление вращения ручки буравчика совместить с направлением тока в витках, то направление поступательного движения совпадет с направлением магнитных силовых линий внутри соленоида. Магнитное поле соленоида похоже на магнитное поле постоянного полосового магнита. Тот конец катушки, из которого выходят силовые линии, будет «северным полюсом» (N), а тот, в который входят силовые линии – «южным полюсом» (S).
После открытия Ганса Эрстеда многие ученые стали повторять его опыты, придумывая новые, чтобы обнаружить доказательства связи электричества и магнетизма. Французский ученый Доминик Араго поместил железный стержень, в стеклянную трубку и поверх нее намотал медный провод, по которому пропустил электрический ток. Как только Араго замкнул электрическую цепь, стержень из железа так сильно намагнитился, что притянул к себе железные ключи. Чтобы оторвать ключи, пришлось приложить значительные усилия. Когда Араго отключил источник тока, то ключи отвалились сами! Так Араго изобрел первый электромагнит. Современные электромагниты состоят из трех частей: обмотки, сердечника и якоря. Провода помещают в специальную оболочку, которая играет роль изолятора. Проводом наматывают многослойную катушку – обмотку электромагнита. В качестве сердечника используют стальной стержень. Пластина, которая притягивается к сердечнику, называется якорем. Электромагниты получили широкое применение в промышленности благодаря их свойствам: они быстро размагничиваются при выключении тока; их можно изготавливать самых различных размеров в зависимости от назначения; меняя силу тока можно регулировать магнитное действие электромагнита. Электромагниты применяются на заводах для переноски изделий из стали и чугуна. Эти магниты имеют большую подъемную силу. Применяются электромагниты также в электрическом звонке, электромагнитных сепараторах, в микрофонах, в телефонах. Сегодня мы рассмотрели магнитное поле кругового тока, катушки с током. Познакомились с электромагнитами, их применением в промышленности и в народном хозяйстве.

1. Магнитное поле и индуктивность | 14. Катушки индуктивности | Часть1

1. Магнитное поле и индуктивность

Магнитное поле и индуктивность

Вокруг всякого проводника, по которому течет ток, возникает магнитное поле. Такой эффект называется электромагнетизмом. Магнитные поля оказывают влияние на выравнивание электронов в атомах, и могут вызывать физическую силу, способную развиваться в пространстве. Как и электрические поля, магнитные поля могут занимать совершенно пустое пространство, и воздействовать на материю на расстоянии.

Магнитное поле обладает двумя основными характеристиками: магнитодвижущей силой и магнитным потоком. Общее количество поля или его эффект называется магнитным потоком, а сила, которая формирует этот магнитный поток в пространстве, называется магнитодвижущей силой. Эти две характеристики примерно аналогичны электрическому напряжению (магнитодвижущая сила) и электрическому току (магнитный поток) в проводнике. Магнитный поток, в отличие от электрического тока (который существует только там, где есть свободные электроны), может распространяться в абсолютно пустом пространстве. Пространство оказывает сопротивление магнитному потоку точно так же, как проводник оказывает сопротивление электрическому току. Величина магнитного потока равна магнитодвижущей силе, поделенной на сопротивление среды.

Магнитное поле имеет отличия от электрического поля. Если электрическое поле зависит от имеющегося количества разноименных зарядов (чем больше электрических зарядов одного вида на одном проводнике, и противоположного, на другом, тем больше будет электрическое поле между этими проводниками), то магнитное поле создается потоком электронов (чем интенсивнее движение электронов, тем больше вокруг них магнитного поля).

Устройство, способное запасать энергию магнитного поля, называется катушкой индуктивности. Форма катушки создает гораздо более сильное магнитное поле, чем обычный прямолинейный проводник. Конструкционной основой катушки индуктивности является диэлектрический каркас, на который наматывается провод в виде спирали (существуют так же и бескаркасные катушки). Обмотка может быть как однослойной, так и многослойной. Для увеличения индуктивности применяют магнитные сердечники. Помещенный внутрь катушки сердечник концентрирует магнитное поле и тем самым увеличивает ее индуктивность.

Условные обозначения катушек индуктивности на электрических схемах выглядят следующим образом:

Поскольку электрический ток создает вокруг катушки концентрированное магнитное поле, магнитный поток этого поля приравнивается к хранилищу энергии (сохранение которой происходит за счет кинетического движения электронов через катушку). Чем больше ток в катушке, тем сильнее магнитное поле, и тем больше энергии будет хранить катушка индуктивности.

Так как катушки индуктивности сохраняют кинетическую энергию движущихся электронов в виде магнитного поля, в электрической цепи они ведут себя совершенно иначе, чем резисторы (которые просто рассеивают энергию в виде тепла). Способность накапливать энергию в зависимости от тока позволяет катушке индуктивности поддерживать этот ток на постоянном уровне. Иными словами, она сопротивляется изменениям тока. Когда ток через катушку увеличивается или уменьшается, она производит напряжение, полярность которого противоположна этим изменениям.

Для сохранения большего количества энергии, ток через катушку индуктивности должен быть увеличен. В этом случае напряженность магнитного поля увеличится, что приведет к возникновению напряжения согласно принципу электромагнитной самоиндукции. И наоборот, для высвобождения энергии из катушки, проходящий через нее ток должен быть уменьшен. В этом случае напряженность магнитного поля уменьшится, что приведет к возникновению напряжения противоположной полярности.

Вспомните Первый закон Ньютона, который гласит что всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние. С катушками индуктивности ситуация примерно аналогичная: “электроны, движущиеся через катушку стремятся оставаться в движении, а покоящиеся электроны имеет тенденцию оставаться в покое”. Гипотетически, короткозамкнутая катушка индуктивности будет сколь угодно долго поддерживать постоянную скорость потока электронов без внешней помощи:

На практике же, катушка индуктивности способна поддерживать постоянный ток только при использовании сверхпроводников. Сопротивление обычных проводов приведет к неизбежному затуханию потока электронов (без внешнего источника энергии).

Когда ток через катушку увеличивается, он создает напряжение, полярность которого противоположна потоку электронов. В этом случае катушка индуктивности выступает в качестве нагрузки. Она, как говорится, “заряжается”,  поскольку все большее количество энергии сохраняется в ее магнитном поле. На следующем  рисунке обратите внимание на полярность напряжения по отношению к направлению тока:

И наоборот, когда ток через катушку уменьшается, на ее выводах возникает напряжение, полярность которого соответствует потоку электронов. В этом случае катушка индуктивности выступает в качестве источника питания. Она высвобождает энергию магнитного поля в остальную часть схемы. Обратите внимание на полярность напряжения по отношению к направлению тока:

Если ненамагниченную катушку индуктивности подключить к источнику питания, то в первоначальный момент времени она будет сопротивляться потоку электронов пропуская  все напряжение источника. Как только ток начнет возрастать, сила магнитного поля, созданного вокруг катушки, будет увеличиваться поглощая энергию источника питания. В конечном итоге ток достигнет максимального значения и прекратит свой рост. В этот момент катушка прекращает поглощать энергию от источника питания и напряжение на ее выводах падает до минимального уровня (в то время как ток остается на максимальном уровне). Таким образом, при сохранении большего количества энергии, ток через катушку индуктивности увеличивается, а напряжение на ее выводах падает. Заметьте, такое поведение полностью противоположно поведению конденсатора, в котором увеличение количества запасенной энергии  приводит к увеличению напряжения на его выводах. Если конденсаторы используют запасенную энергию на поддержание постоянной величины напряжения, то катушки индуктивности такую энергию используют на поддержание постоянной величины тока.

Тип материала, из которого изготавливается провод катушки, оказывает значительное влияние на магнитный поток (а следовательно и  на количество запасаемой энергии) создаваемый заданной величиной тока. Влияет на магнитный поток и материал, из которого изготавливается сердечник катушки индуктивности: ферромагнитный материал (например железо) создаст более сильный поток, чем немагнитный материал (например алюминий или воздух).

Способность катушки индуктивности извлекать энергию из источника электрического тока и сохранять ее в виде магнитного поля называется индуктивностью. Индуктивность так же является мерой сопротивления изменениям тока. Для обозначения индуктивности используется символ  “L”, а измеряется она в Генри, сокращенно “Гн”

Как работают электромагнитные катушки – Основы схемотехники

Катушка из проволоки – это электрический проводник с одним или несколькими витками, предназначенный для создания магнитного поля. Обычно это используется для увеличения силы магнитного поля. Чем больше витков провода на катушке, тем сильнее будет магнитное поле. Магнитные поля, создаваемые отдельными витками провода, проходят через центр катушки, создавая сильное магнитное поле.

Создание магнитного поля с помощью катушки из проволоки

Движущиеся заряженные частицы создают магнитные поля.Впервые это наблюдалось в начале 19 ^-го века. Во время эксперимента было замечено, что когда электрический ток течет по проводу, ближайший компас меняет направление. Когда ток отключался, компас возвращался в исходное положение, выровненное по северу и югу с магнитным полем Земли. Таким образом, эксперимент пришел к выводу, что электроны, движущиеся по спиральной проволоке, создают магнитное поле – то, чего не существовало, когда ток был отключен.

Заряженные частицы создают магнитные поля, только когда они движутся.Эксперимент, проведенный в 19 ^-м -м веке, показал, что провод, по которому проходит электрический ток, на самом деле является магнитом. Поскольку все электроны движутся по проводу в одном направлении, вокруг провода создается четко определенное магнитное поле. Сила магнитного поля пропорциональна величине тока, протекающего по проводу. Увеличение тока увеличивает силу магнитного поля. Когда через катушку не течет ток, не будет и магнитного поля.

Количество витков провода также влияет на магнитные поля. Его сила прямо пропорциональна количеству проволочных петель, добавленных к катушке. Другими словами, увеличение проволочных петель приведет к увеличению напряженности магнитного поля.

Если ток течет по катушке по часовой стрелке, то эта сторона катушки будет южным полюсом. С другой стороны, если ток течет вокруг катушки против часовой стрелки, то эта сторона катушки будет северным полюсом.

Катушки из проволоки, которые действуют как стержневые магниты с различными северным и южным полюсами каждый раз, когда через катушку проходит электрический ток, называются электромагнитом.

Что такое электромагниты?

Электромагниты – это магниты, магнитное поле которых создается электрическим током. Он демонстрирует магнитное притяжение к другим металлическим объектам, когда через них проходит электрический ток. Мы также можем контролировать, включать и выключать силу его магнитного притяжения.

Для создания электромагнита потребуется:

Используя материалы выше и следуя простой схеме, сделайте следующее:

1. Оберните магнитную проволоку вокруг железного гвоздя и оставьте 3 дюйма проволоки свободными на конце. Убедитесь, что проволока наматывается плотно, не оставляя промежутков между ними.
2. Обернув гвоздь целиком, обрежьте проволоку, оставив выступ 2–3 дюйма.
3. С помощью устройства для зачистки проводов удалите изоляцию магнитного провода, чтобы обнажить не менее дюйма оголенного провода.Проделайте это с обоих концов проволоки.
4. Присоедините один конец провода к положительной клемме аккумулятора, а другой конец – к отрицательной клемме.
5. Изолентой оберните оба конца провода к клеммам аккумулятора.
6. Проверьте электромагнит, поместив канцелярские кнопки или зажимы возле гвоздя и наблюдая, притягивает ли их гвоздь.

Для изготовления электромагнита необходимо обеспечить более плотную намотку магнитного провода, состоящего из полностью отожженной электролитически очищенной меди.

Что такое магнитный провод?

Магнитный провод или обмоточный провод – это изолированный проводник, используемый для обмена электрической энергии с магнитной энергией. Обычно его покрывают медью или алюминием с тонким слоем изоляции. Он бывает трех типов: эмалированный провод, токопроводящий провод и их комбинация. Они обычно используются для катушек индуктивности, двигателей, потенциометров, электромагнитов и других приложений, требующих плотных витков проволоки.

Повышение напряженности магнитного поля с помощью ферромагнитного сердечника внутри проволочной катушки

Ферромагнитные материалы – это элементы, которые легко намагничиваются и обычно изготавливаются из стали, кобальта, никелевых сплавов и мягкого железа.Ферромагнитные материалы сильно реагируют на магниты. Включение этих материалов в магнитную цепь приведет к более концентрированному и более плотному магнитному потоку, который затем усилит магнитное поле, вызванное током в катушке.

Магнитное поле, создаваемое электроном, может влиять на ориентацию поля, создаваемого соседними электронами, создавая «магнитный домен». Здесь все электроны имеют выровненные магнитные поля. Магнитный домен – это область внутри магнитного материала, где намагниченность имеет однородное направление.Это отвечает за поведение ферромагнитных материалов.

Наведение напряжения и тока с помощью подвижного магнита и неподвижной катушки

Закон индукции Фарадея гласит, что изменяющееся магнитное поле вызывает электродвижущую силу (ЭДС) в проводе контура. Электродвижущая сила заставляет электроны двигаться и образовывать ток. Изменение площади проволочной петли и изменение угла между петлей и магнитным полем может вызвать ток. Это связано с тем, что непосредственно индуцирует ЭДС, известную как магнитный поток.Магнитный поток – это мера общего магнитного поля, которое проходит через проволочную петлю, и когда это поле изменяется, оно индуцирует электродвижущую силу.

Мы можем использовать магнит и катушку с проволокой для генерации электрического тока. На приведенном выше рисунке перемещение магнита внутрь и наружу неподвижной катушки с проволокой вызовет в катушке ток, и это связано с физическим движением магнитного потока. Чем быстрее движется магнит, тем больше вырабатывается ток.Когда магнит неподвижен, в катушке не будет тока. То же самое с неподвижным магнитом и подвижной катушкой. Если мы перемещаем катушку с проволокой вперед и назад внутри неподвижного магнита, в катушке индуцируется электрический ток.

Сбалансированные, биплоскостные катушки магнитного поля и градиента поля для компенсации поля в носимой магнитоэнцефалографии

Конструкция и конструкция катушки

MATLAB (The MathWorks Inc.) использовался для создания конструкций для трех катушек, позволяющих одновременно компенсировать B _x и G _x , B _y и G _y и B _z и G _z .Размеры системы были ограничены размером и компоновкой MSR, который также содержит систему MEG на основе SQUID (CTF, Coquitlam, BC, Canada). Окончательные двухплоскостные размеры были выбраны равными a = 0,7 м и L = 0,85 м, как показано на рис. 1. Число гармоник, весовые коэффициенты мощности и коэффициенты поля / градиента были выбраны вручную для создания однородных полей и градиентов поля ( с точностью ± 5%) в центральном объеме 40 × 40 × 40 см ³ . Магнитное поле для каждой катушки оценивалось по шкале 2.Трехмерная сетка с разрешением 5 см с использованием элементарного закона Био-Савара. Числовое значение поля или однородности градиента поля, H , было вычислено путем присвоения значения 1 каждому элементу в трехмерной сетке, где условие однородности было выполнено, и 0, где это не было. Затем однородность указывается как процентное соотношение количества единиц к общему количеству точек сетки. Сбалансированные B _x / G _x и B _y / G _y , катушки были спроектированы с использованием 36 гармоник с N = M = 6, а поле оценивалось по I = 320 целевым точкам.Сбалансированная катушка B _z / G _z была разработана с 36 гармониками с N = M = 6, а поле оценивалось по I = 256 целевым точкам. Обратите внимание, что для ограничения изменения поля в катушке B _z / G _z требуется меньше целевых точек из-за высокой степени симметрии вращения этих катушек относительно оси z.

Контуры оптимизированной функции потока были соединены для образования непрерывных проводов, как показано в дополнительной информации. Катушки устанавливались на двух листах МДФ толщиной 1.8 × 1,8 м ² с ножками, на которых центр катушек находится на 1,1 м от уровня пола. Рисунки рулонов были напечатаны, а затем вручную начерчены на тонких бумажных листах, эти листы были прикреплены к доске с помощью обойного клея. На каждую дорожку уложена медная проволока (эмалированная, диаметр 0,56 мм) и закреплена на месте малярной лентой. Общая толщина каждого слоя рулона составляет около 1 мм. Три катушки были наложены слоями, повторяя эти шаги.

Каждый блок планарной катушки был подключен к драйверу катушки (4 В, малошумящий, всего шесть драйверов, по одному на блок катушки), который управлялся с помощью 16-битного модуля вывода напряжения ЦАП NI-9264, соединенного с LabVIEW ( Корпорация National Instruments (NI), Остин, Техас).Резисторы были добавлены последовательно к каждой катушке, так что поля около 40 нТл или градиенты поля около 25 нТл / м могли создаваться на выходе 4 В.

Перед использованием в сбалансированном режиме катушки были соединены в стандартных двухплоскостных схемах (с равным или равным и противоположным током в каждой плоскости ⁷ ) для проверки их характеристик при производстве каждого из B _x и G _x , B _y и G _y и B _z и G _z .Эффективность катушки (поле или градиент поля на единицу тока) измерялась с использованием массива из трех OPM QuSpin Gen-1, работающих в режиме, при котором поле измеряется только вдоль радиальной оси датчика. Затем эти OPM были ориентированы так, чтобы измерить интересующий компонент поля.

Линейно возрастающий ток подавался на каждую биплоскостную катушку, и изменение поля измерялось как функция этого приложенного тока. Для B _x / G _x и B _y / G _y OPM были расположены примерно в центре биплоскостных катушек и пространственно разнесены на 8 см в направлении z (так, чтобы поле было измерены примерно при z = -8 см, 0 см и +8 см при x = 0 см, y = 0 см).Для измерений B _z / G _z длинные оси датчиков были выровнены в плоскости измерения, что означало, что выборка поля должна была производиться в местах с большим пространственным разделением в направлении z (измерение поля при z = −17 см, z = 0 см и z = + 17 см при x = 0 см, y = 0 см). Для сравнения, поля и градиенты, создаваемые биплоскостными катушками, также были рассчитаны с использованием элементарного закона Био-Савара. Эти измерения были выполнены в MSR в Ноттингемском университете (Vacuumschmelze, Ханау, Германия), состоящем из двух слоев мю-металла и одного слоя алюминия.

Сравнение методов проектирования

Для сравнения характеристик сбалансированных катушек, разработанных с использованием комбинированного метода, с характеристиками катушек, разработанных только для создания однородного поля или градиента поля, были исследованы три катушки: катушка, предназначенная для получения B _x ; змеевик, предназначенный для производства G _x ; катушка, предназначенная для производства B _x и G _x . Для каждого случая количество и расположение целевых точек, а также вес рассеиваемой мощности оставались постоянными.Размеры катушек составляли a = 0,7 м и L = 0,85 м, как указано выше. Поле и градиент, создаваемые этими катушками в биплоскостной конфигурации, были рассчитаны с использованием элементарного закона Био-Савара. Затем поля были нормализованы к их значениям в центре, чтобы можно было оценить отклонение поля и градиент в объеме 40 × 40 × 40 см ³ (оценка по трехмерной сетке с разрешением 2,5 см). Однородность H также указывается для каждого случая с использованием меры, описанной в разделе 3.1. Как и прежде, желательно отклонение менее ± 5% от полного объема.

Обнуление статического поля

Хотя в стандартном режиме измерения OPM QuSpin имеют рабочий диапазон ± 5 нТл, они также могут работать в режиме «обнуления поля» ^13,14 . Этот режим создает среду нулевого поля, которая требуется для чувствительных измерений, основанных на изменениях прозрачности паровой ячейки вокруг резонанса нулевого поля ²² . Каждый OPM содержит набор из трех ортогональных катушек «на датчике», расположенных вокруг паровой камеры.В режиме обнуления поля токи подаются на катушки на датчике под управлением обратной связи, чтобы максимизировать оптически измеренный резонанс в нулевом поле. После того, как оптимизированные токи были найдены, амплитуда статических магнитных полей в двух направлениях, перпендикулярных лазерному лучу, может быть выведена из приложенного тока и известного поля на единицу тока каждой катушки на датчике. Это поле находится в диапазоне от 1 до 50 000 pT.

Используя процесс обнуления поля, четыре OPM QuSpin Gen-1 были использованы для измерения трех компонентов векторного поля в двух позициях, пространственно разделенных по оси z на ~ 40 см, как показано на рис.3А. Измерения датчиков объединяются для формирования оценок величин B _x , B _y и B _z и G _x , G _y и G _z (например, G _x находится путем вычитания двух измерений B _x ).

Автоматическое обнуление поля на основе эталонных измерений. ( A ) Контрольный массив из четырех OPM QuSpin Gen-1 используется для измерения компонентов векторного поля B _x , B _y и B _z в двух местах, разделенных в направлении z.( B ) Для управления одной катушкой используются два ПИД-регулятора. Один использует Σ, чтобы управлять суммой поля в двух местах (например, опускать поле B _x к нулю). Второй ПИД-регулятор использует ∆, чтобы довести разницу поля в двух точках (градиент G _x ) до нуля. Затем к плоскостям прикладываются токи, которые представляют собой сумму и разность этих значений.

Для автоматического обнуления поля над эталонным массивом два контроллера с пропорциональной интегральной производной (ПИД) управляются в тандеме и используются для определения оптимальных токов, проходящих через обмотки катушки в каждой плоскости.Взяв пример обнуления полей B _x и G _{x ,} , эталонный массив производит два измерения B _x (b _x1 и b _x2 ) в местах, которые пространственно разделены в z . Первый контроллер изменяет параметр ∆, чтобы уменьшить b _x1 – b _x2 , что обеспечивает меру градиента поля G _x . Второй контроллер изменяет параметр ∑, чтобы уменьшить b _x1 + b _x2 , что обеспечивает размер B _x .Затем токи I ₁ и I ₂ подводятся к двум различным плоскостям катушки, где I ₁ = ∑ + ∆ и I ₂ = ∑ − ∆. Уравновешивание членов приводит к одновременному уменьшению поля и градиента поля до нуля. Для реализации этого алгоритма был разработан контроллер на основе LabVIEW, связанный с эталонным массивом и драйверами катушек. По завершении обнуления ПИД-регуляторы отключаются, и к катушкам прикладываются стабильные токи. Этот процесс показан на рис.3B.

Картирование поля

Для количественной оценки уменьшения поля и градиента поля карты поля были сняты в одной плоскости до и после использования катушек для обнуления поля. Была нанесена на карту область размером 40 × 40 см ² в плоскости x-z, лежащая между опорными датчиками (которые были разделены на 40 см по оси z). Выполнив два измерения с использованием режима обнуления поля одного QuSpin OPM Gen-1 в каждой позиции на сетке 10 см (изменив ориентацию датчика, чтобы можно было измерить поле в трех измерениях) по плоскости, может быть получено представление статического поля.Данные были линейно интерполированы (с использованием функции MATLAB interp2) на сетку с разрешением 1 см для визуализации, и были созданы карты полей, чтобы показать изменения в величине и пространственной вариации.

Среднее поле рассчитывается как среднее значение по каждой точке интерполированной сетки с соответствующим стандартным отклонением, заданным как ошибка. Мера градиента находится из разницы в поле (∆B), деленной на разность положения по оси z (∆z). Разность значений поля, измеренных при z = −20 см и z = + 20 см, бралась так, что ∆z = 40 см.Эти измерения проводились в MSR Ноттингемского университета.

Обнуление динамического поля

Уравновешенные биплоскостные катушки, описанные здесь, были предназначены для использования в системе OPM-MEG для работы внутри MSR (Vacuumschmelze, Ханау, Германия), состоящей из двух слоев мю-металла и одного слоя алюминий, который находится в подвале Центра нейровизуализации человека Wellcome при Университетском колледже Лондона (UCL). Это место в центре города находится недалеко от линии Пикадилли лондонского метро, ​​поскольку она проходит между станциями метро Russell Square и Holborn на глубине около 33 м (карты, созданные на основе данных Transport for London, доступны здесь – https: // www.dansilva.co.uk/down-underground). Учитывая, что MSR находится в подвале центра Wellcome, и используя Citymapper (www.citymapper.com) для оценки расстояния до линии на уровне земли (около 85 м), мы оцениваем железнодорожную ветку примерно в 90 м от MSR. Вследствие близости к проезжающим поездам метро фоновое магнитное поле в МСР изменяется на несколько нТл за 10-минутный период. Этот дрейф подталкивает OPM к границе их динамического диапазона и вызывает изменения усиления.Чтобы решить эту проблему, мы разработали динамическую настройку на основе ПИД-регулятора, которая может использоваться для управления токами в сбалансированных биплоскостных катушках, чтобы поддерживать внешнее поле в пределах рабочего диапазона датчиков во время записи, сводя к минимуму любые воздействия. по их производительности.

Массив из 15 OPM Gen-2 QuSpin был помещен в пустой 3D-отпечатанный сканер-слепок ¹¹ . Три из этих датчиков, которые были размещены в пазах, ориентированных в направлениях x, y и z, чтобы они измеряли компоненты поля B _x , B _y и B _z вдоль их радиальных осей, были выбраны в качестве опорных датчиков. .Датчики работали в режиме одноосных измерений с динамическим диапазоном, установленным на ± 5 нТл, и данные регистрировались с использованием 16-разрядного АЦП NI-9205 National Instruments, сопряженного с контроллером LabVIEW. Выходные напряжения LabVIEW для управления катушками управлялись с помощью ЦАП NI-9264. Контроллер производил выборку данных со всех 15 датчиков с частотой дискретизации 6000 Гц, и данные были сохранены блоками по 50 выборок. Для каждого из этих порций по 50 отсчетов данные от трех эталонных датчиков были выбраны и переданы на цифровой фильтр нижних частот Баттерворта первого порядка с частотой отсечки 1 Гц (выбранной таким образом, чтобы контроллер обращался только к низкочастотные колебания остаточного магнитного поля).Затем было взято среднее из этих 50 проб.

Затем усредненные значения вводились в три ПИД-регулятора (по одному для управления каждым из полей B _x , B _y и B _z ). Эти контроллеры настраивались вручную путем наблюдения за реакцией системы на изменение пропорционального и интегрального коэффициентов усиления (производные коэффициенты усиления были установлены на ноль), чтобы обеспечить стабильное обнуление без взаимных помех, поскольку между катушками и эталонными датчиками могут возникать перекрестные помехи.Например, эффект неправильного позиционирования катушки или эталонного датчика может привести к измеримому влиянию катушки B _x на эталонный датчик B _y , что, в свою очередь, приведет к чрезмерной коррекции на катушке B _y , которая воздействует на эталонный датчик B _x и т. д. Хорошо настроенная петля может легко компенсировать эти «перекрестные помехи». Выходные напряжения ПИД-регулятора были приложены к катушкам на двух плоскостях, так что были созданы однородные компоненты поля (т.е.е. напряжения одного знака подавались на катушки для генерации B _z и противоположного знака для создания B _x и B _y ). Также были записаны данные с остальных 12 датчиков. Во время каждой записи были взяты данные с веб-сайта Transport for London для поездов, курсирующих по любому из двух маршрутов: на восток от Холборна до Рассел-сквер и на запад от Рассел-сквер до Холборна. Хотя это не дает точного времени, когда поезда подошли ближе всего к MSR, оно указывает количество поездов, которые пересекли под лабораторией во время записи.

Запись с обнулением была сделана между 17:22 и 17:32, а запись с обнулением – между 17:35 и 17:45. Это время приходится на «час пик», когда наблюдается интенсивное движение поездов (поезда прибывают примерно каждые 2 минуты по линии Пикадилли примерно в это время), что создает сложные условия для измерений.

Исследование взаимодействий с экранированным помещением

Поля, создаваемые катушками, могут взаимодействовать со стенками MSR и приводить к отклонениям от прогнозируемых характеристик.На границе между материалами с различной относительной магнитной проницаемостью μ _r применяются следующие условия: чтобы подчиняться закону Ампера, тангенциальная составляющая магнитного поля H должна быть непрерывной по поверхности, а чтобы подчиняться закону Гаусса, нормальная составляющая магнитного поля B также должен быть непрерывным ²³ . Поскольку B принимает форму B = μ ₀ μ _r H внутри материала и μ _r может быть> 80000 для мю-металла, а μ _r ~ 1 в воздухе, поле должно резко изменить направление на границе раздела между воздухом и мю-металлом, чтобы удовлетворить двум граничным условиям ²³ , и, в частности, на воздушной стороне границы тангенциальные компоненты полей B и H должны быть примерно ноль.В этих условиях изменение поля внутри MSR может быть оценено путем добавления набора токов виртуального зеркала, создаваемых простым отражением токонесущих элементов катушек на каждой стене комнаты. Для задач магнитостатики этот подход «метода изображений» не очень чувствителен к точному значению μ _r , просто требуется, чтобы μ _r »1, поскольку отклонения от вариации поля он предсказывает масштаб как (μ _r ) ⁻¹ , что незначительно для мю-металла ^24,25 .Чтобы гарантировать, что граничные условия выполняются должным образом, отражения должны вычисляться рекурсивно, чтобы отраженные токи сами отражались. Здесь влияние, которое стенки из мю-металла оказывают на форму поля, создаваемого сбалансированными катушками, работающими внутри MSR, было смоделировано путем добавления усеченного набора зеркальных токов ^17,18 .

Рассматривая один токовый элемент, отражения создаются на каждой из внутренних поверхностей экранированного помещения, а направление d l меняется на противоположное согласно \ ({d} {\ boldsymbol {l}} = {d } {\ boldsymbol {l}} – 2 ({d} {\ boldsymbol {l}}.\ hat {{\ boldsymbol {n}}}) \) где \ (\ hat {{\ boldsymbol {n}}} \) – единичный вектор, перпендикулярный плоскости, в которой отражался элемент. После рассмотрения каждой внутренней стороны MSR получается 6 зеркальных токовых элементов. Каждый из этих зеркальных элементов затем также зеркально отражается от пяти стенок MSR, которые не участвовали в исходном отражении. Этот процесс следует повторять до бесконечности, чтобы удовлетворить граничным условиям для магнитных полей на внутренних стенках MSR.С учетом избыточности имеется 6 зеркальных элементов первого порядка, 18 зеркал второго порядка, 38 зеркал третьего порядка и так далее. Дополнительное поле, создаваемое каждым из отраженных элементов, рассчитывается с использованием элементарного закона Био-Савара. Здесь мы рассматривали только отражения до 3 ^{порядка} . Этот порядок был выбран, поскольку изменение эффективности катушки (в центре плоскостей) с отражениями до второго порядка оказалось около 30%, в то время как дополнительный вклад от зеркал третьего порядка только изменил эффективность еще на ~ 5%. .

Мы провели простой эксперимент для проверки метода зеркального отражения в UCL MSR, который имеет внутренние размеры 3,85 × 2,4 × 3 м ³ . Плоскость одиночного змеевика была размещена параллельно и как можно ближе к одной из стен 3,85 × 2,4 м ² МСР. Плоскость катушки была смещена от центра MSR в 0,6 м и -0,2 м х и у, и из-за острый углом деревянной опорной конструкции центр катушки был смещен на 25 см в г -направления от проксимальной стенки МСР.Синусоидально колеблющееся напряжение 0,1 Гц с амплитудой 1 В (эквивалентно току 8,1 мА) было приложено к катушке B _z / G _z на этой плоскости, а z-компонента магнитного поля была измерена в позиции 5. см, смещенный от центра катушки в направлении z от проксимальной стенки MSR (но с центром по x и y) с использованием одноосного феррозондового магнитометра (Fluxmaster, Stefan Mayer Instruments, Динслакен, Германия). Затем плоскость катушки и феррозатворный магнитометр были дополнительно смещены от стены с шагом 20 см в направлении оси z до тех пор, пока установка не могла двигаться дальше из-за наличия криогенной системы МЭГ (CTF, Coquitlam, BC, Canada). .Было достигнуто окончательное смещение от стены на 85 см. В каждом положении феррозондовый магнитометр был аналогичным образом размещен относительно катушки. Для сравнения была рассчитана z-компонента поля с учетом эффекта зеркального отражения и без него путем применения элементарного закона Био-Савара к катушке B _z / G _z и ее отражениям.

Эффекты взаимодействий на биплоскостных катушках были затем исследованы с помощью моделирования. Поле рассчитано для 40 × 40 × 40 см ³ ,2.Трехмерная сетка с разрешением 5 см в центре двух плоскостей катушки и результаты по сравнению с измерениями поля катушки или градиента поля на единицу тока. Были изучены три случая: во-первых, когда не учитывались зеркала, во-вторых, когда катушки были расположены по центру в MSR в Университете Ноттингема и были включены зеркала до третьего порядка, и, наконец, когда катушки были расположены так, как они были во время экспериментальной рассматривался сеанс и зеркала до третьего порядка. Для каждого случая была построена прямоугольная диаграмма полного диапазона полей, вычисленных во всех положениях сетки, чтобы показать влияние зеркальных токов как на однородность, так и на средний уровень создаваемого поля.

Эффекты были исследованы для трех пар катушек при производстве B _x , B _y и B _z . Рассматриваемый здесь MSR имеет внутренние размеры 3,85 × 2,4 × 3 м ³ , и во время эксперимента центр биплоскостной катушки смещен от центра комнаты на + 0,2 м по оси y и -0,25 м по оси x. (с нулевым смещением по z).

Вопросы и ответы – Почему (подробно), чем больше катушек вы добавляете к электромагниту, тем сильнее его магнитное поле?

Почему (подробно), чем больше катушек вы добавляете к электромагниту, тем сильнее его магнитное поле?

Если я углублюсь в детали, я скоро достигну точки, когда не смогу делать математические вычисления! Но ответ на ваш вопрос проще, чем вы думаете.Во-первых, представьте себе прямой кусок проволоки, из которого сделан ваш магнит, до того, как он намотан катушками. Теперь, если вы пропустите через него ток, будет ли это магнит? Ответ: «Да». Это потому, что (повторяйте за мной): любой движущийся электрический заряд создает магнитное поле. Линии магнитного поля проходят концентрическими кругами вокруг провода («направление» поля следует «правилу правой руки»). Вы можете убедиться в этом, подсоединив кусок провода к небольшой батарее и поместив рядом с ним компас.Величину магнитного поля, создаваемого проводом, можно вычислить, если вам известна длина провода и сила тока. Теперь, если вы намотаете этот провод на сердечник (предположим, у вас есть прямой «соленоидный» магнит), вы измените направление силовых линий (а также «сконцентрируете» их в меньшем размере). Допустим, вы используете 2 см проволоки на каждый виток. В зависимости от толщины проволоки вы можете получить метр проволоки, намотанный в один слой вдоль жилы длиной всего несколько сантиметров.С каждым поворотом вы добавляете магнитную силу, соответствующую 2-сантиметровой длине прямого провода. И вы скручиваете его так, чтобы силовые линии магнитного поля были параллельны и указывали в одном направлении. Вы можете добавить больше катушек поверх первого ряда, и это только повысит напряженность поля. Говоря техническим языком, каждая катушка с проволокой увеличивает «плотность магнитного потока» (силу) вашего магнита. Магнитное поле снаружи катушки напоминает стержневой магнит. Опять же, для определения северного полюса можно применить правило правой руки: если вы держите катушку в правой руке, а ток течет в направлении, указанном вашими пальцами, северный полюс – это конец, где находится ваш большой палец.

Автор:

Кейт Велч, Radialogical Controls Group (Другие ответы Кейта Велча)

Моделирование магнитного поля с несколькими катушками – ScienceDirect

Основные моменты

•

Представлена ​​методология оценки и оптимизации конструкций с несколькими катушками.

•

Моделирование поля с несколькими катушками позволяет гибко выбирать между эффективностью и точностью.

•

Эффективность нескольких катушек для линейных градиентов поля сравнима с эффективностью обычных катушек.

•

Синтез поля с несколькими катушками становится более эффективным для более сложных форм поля.

•

Концепция нескольких катушек может заменить сферические гармоники при регулировке шайб.

Abstract

Производительность моделирования магнитного поля с помощью нескольких катушек (MC) сравнивается со специальными схемами проводов для генерации сферических гармонических (SH) форм, поскольку они являются рабочей лошадкой для пространственного кодирования и гомогенизации магнитного поля в МР-визуализации и спектроскопия.С этой целью анализируется примерная 48-канальная установка MC, и показано, что она способна генерировать все формы SH от первого до четвертого порядков в малых и больших областях интереса, имеющих отношение к исследованиям MR. Эффективность MC для генерации линейных градиентных полей имеет тот же порядок величины, что и классические и современные градиентные катушки SH. Моделирование поля MC становится все более эффективным с синтезом более сложных форм поля, которые требуют комбинации нескольких терминов SH.Обсуждается возможность региональной оптимизации как формы магнитного поля, так и характеристик генерации с помощью подхода MC, с акцентом на возможный компромисс между точностью поля и эффективностью генерации.

Регулировка прокладок MC, как было показано ранее, превосходит текущую регулировку прокладок SH. Наряду с показанным здесь повышением эффективности использования прокладок MC, концепция MC может (1) заменить обычные системы прокладок, основанных на наборах специальных катушек SH, и (2) обеспечить оптимальные решения прокладок для конкретных объектов, аналогичные конкретным объектам. РЧ катушки.

Ключевые слова

Магнитные поля

Моделирование

Эффективность

Точность

Функции сферической гармоники

Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)

Copyright © 2013 Elsevier Inc. Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Магнитные поля, создаваемые токами: закон Ампера

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Вычислить ток, создающий магнитное поле.
• Используйте правило правой руки 2, чтобы определить направление тока или направление контуров магнитного поля.

Какой ток нужен для создания значительного магнитного поля, возможно, такого же сильного, как поле Земли? Геодезисты скажут вам, что воздушные линии электропередач создают магнитные поля, которые мешают показаниям их компаса. Действительно, когда Эрстед в 1820 году обнаружил, что ток в проводе воздействует на стрелку компаса, он не имел дела с очень большими токами.Как форма проводов, по которым проходит ток, влияет на форму создаваемого магнитного поля? Ранее мы отметили, что токовая петля создает магнитное поле, подобное магнитному полю, но как насчет прямого провода или тороида (бублика)? Как направление создаваемого током поля связано с направлением тока? Ответы на эти вопросы исследуются в этом разделе вместе с кратким обсуждением закона, регулирующего поля, создаваемые токами.

Магнитное поле, создаваемое длинным прямым токопроводящим проводом: Правило правой руки 2

Магнитные поля имеют направление и величину.Как отмечалось ранее, один из способов исследовать направление магнитного поля – это использовать компасы, как показано для длинного прямого токоведущего провода на рисунке 1. Датчики Холла могут определять величину поля. Поле вокруг длинной прямой проволоки находится в виде кольцевых петель. Правило правой руки 2 (RHR-2) возникло в результате этого исследования и справедливо для любого текущего сегмента – направляет большой палец в направлении тока, а пальцы сгибаются в направлении петель магнитного поля , созданных Это.

Рис. 1. (a) Компасы, помещенные рядом с длинным прямым токопроводящим проводом, показывают, что силовые линии образуют круговые петли с центром на проводе. {- 7} \ text {T } \ cdot \ text {m / A} \\ [/ latex] – проницаемость свободного пространства .( μ ₀ – одна из основных констант в природе. Позже мы увидим, что μ ₀ связано со скоростью света.) Поскольку провод очень длинный, величина поля зависит только от на расстоянии от провода r , а не на расстоянии вдоль провода.

Пример 1. Расчет тока, создающего магнитное поле

Найдите ток в длинном прямом проводе, который создаст магнитное поле, вдвое превышающее земное, на расстоянии 5.0 см от проволоки.

Поле Земли составляет около 5,0 × 10 ⁻⁵ Тл, поэтому здесь B из-за проволоки принимается равным 1,0 × 10 ⁻⁴ Тл. Уравнение [латекс] B = \ frac {\ mu_ {0} I} {2 \ pi r} \\ [/ latex] можно использовать для поиска I , так как все остальные величины известны.

Решение для I и ввод известных значений дает

[латекс] \ begin {array} {lll} I & = & \ frac {2 \ pi rB} {\ mu _ {0}} = \ frac {2 \ pi \ left (5.{-7} \ text {T} \ cdot \ text {m / A}} \\ & = & 25 \ text {A} \ end {array} \\ [/ latex]

Таким образом, умеренно большой ток создает значительное магнитное поле на расстоянии 5,0 см от длинного прямого провода. Обратите внимание, что ответ состоит только из двух цифр, так как поле Земли в этом примере указано только из двух цифр.

Закон Ампера и другие

Магнитное поле длинного прямого провода имеет большее значение, чем вы можете сначала подумать. Каждый сегмент тока создает магнитное поле, подобное тому, которое имеет длинный прямой провод, а полное поле тока любой формы представляет собой векторную сумму полей, создаваемых каждым сегментом. Формальное определение направления и величины поля, создаваемого каждым сегментом, называется законом Био-Савара . Интегральное исчисление необходимо для суммирования поля для тока произвольной формы. Это приводит к более полному закону, называемому закон Ампера , который связывает магнитное поле и ток в общем виде.Закон Ампера, в свою очередь, является частью уравнения Максвелла , которое дает полную теорию всех электромагнитных явлений. Рассмотрение того, как уравнения Максвелла выглядят для разных наблюдателей, привело к современной теории относительности и к осознанию того, что электрические и магнитные поля являются разными проявлениями одного и того же. Большая часть этого выходит за рамки этого текста как на математическом уровне, требующем расчетов, так и на объеме места, которое может быть отведено под него. Но для заинтересованного студента, и особенно для тех, кто продолжает заниматься физикой, инженерией или подобными занятиями, дальнейшее углубление в эти вопросы откроет описания природы, которые одновременно элегантны и глубоки.В этом тексте мы будем иметь в виду общие особенности, такие как RHR-2 и правила для силовых линий магнитного поля, перечисленные в Магнитных полях и линиях магнитного поля, концентрируясь при этом на полях, создаваемых в определенных важных ситуациях.

Слушая все, что мы делаем об Эйнштейне, у нас иногда складывается впечатление, что он из ничего изобрел теорию относительности. Напротив, одной из мотиваций Эйнштейна было решить трудности, связанные с пониманием того, как разные наблюдатели видят магнитные и электрические поля.

Магнитное поле, создаваемое токонесущей круговой петлей

Магнитное поле около токоведущей петли показано на рисунке 2. Как направление, так и величина магнитного поля, создаваемого токоведущей петлей, являются сложными. RHR-2 можно использовать для определения направления поля около петли, но для получения более подробной информации необходимы картографирование с помощью компасов и правила о силовых линиях, приведенные в разделах «Магнитные поля» и «Линии магнитного поля».Существует простая формула для напряженности магнитного поля в центре круговой петли . Это

[латекс] B = \ frac {\ mu_ {0} I} {2R} \ left (\ text {в центре петли} \ right) \\ [/ latex],

, где R – радиус петли. Это уравнение очень похоже на уравнение для прямого провода, но действительно только в центре кольцевой петли провода. Сходство уравнений указывает на то, что аналогичная напряженность поля может быть получена в центре петли.Один из способов получить большее поле – это N петель; тогда поле будет B = Nμ ₀ I / (2 R ). Обратите внимание, что чем больше петля, тем меньше поле в ее центре, потому что ток дальше.

Рис. 2. (a) RHR-2 показывает направление магнитного поля внутри и снаружи токоведущей петли. (б) Более подробное картирование с помощью компасов или зонда Холла завершает картину. Поле похоже на поле стержневого магнита.

Магнитное поле, создаваемое токопроводящим соленоидом

Соленоид представляет собой длинную катушку провода (с большим количеством витков или петель, в отличие от плоской петли). Из-за своей формы поле внутри соленоида может быть как очень однородным, так и очень сильным. Поле сразу за катушками почти равно нулю. На рисунке 3 показано, как поле выглядит и как его направление задается RHR-2.

Рис. 3. (a) Из-за своей формы поле внутри соленоида длиной l заметно однородно по величине и направлению, на что указывают прямые и равномерно разнесенные силовые линии.Поле вне катушек почти равно нулю. (b) Этот разрез показывает магнитное поле, создаваемое током в соленоиде.

Магнитное поле внутри соленоида с током очень однородно по направлению и величине. Только ближе к концам он начинает ослабевать и менять направление. Поле снаружи имеет те же сложности, что и плоские петли и стержневые магниты, но напряженность магнитного поля внутри соленоида просто равна

[латекс] B = {\ mu} _ {0} nI \ left (\ text {внутри соленоида} \ right) \\ [/ latex],

, где n – количество петель на единицу длины соленоида ( n = N / l , где N – количество петель, а l – длина).Обратите внимание, что B – это напряженность поля в любом месте однородной внутренней части, а не только в центре. Как следует из примера 2, с соленоидами возможны большие однородные поля, распределенные по большому объему.

Пример 2. Расчет напряженности поля внутри соленоида

Что такое поле внутри соленоида длиной 2,00 м, имеющего 2000 петель и пропускающего ток 1600 А?

Чтобы найти напряженность поля внутри соленоида, мы используем [latex] B = {\ mu} _ {0} nI \\ [/ latex].{-1} \ right) \ left (1600 \ text {A} \ right) \\ & = & 2.01 \ text {T} \ end {array} \\ [/ latex]

Это большая напряженность поля, которая может быть установлена ​​над соленоидом большого диаметра, например, при использовании в медицине магнитно-резонансной томографии (МРТ). Однако очень большой ток указывает на то, что поля такой силы нелегко получить. Такой большой ток через 1000 петель, сжатых до метра длины, приведет к значительному нагреву.Более высокие токи могут быть достигнуты с помощью сверхпроводящих проводов, хотя это дорого. Существует верхний предел тока, поскольку сверхпроводящее состояние нарушается очень сильными магнитными полями.

Есть интересные варианты плоской катушки и соленоида. Например, тороидальная катушка, используемая для удержания реактивных частиц в токамаках, очень похожа на соленоид, изогнутый в круг. Поле внутри тороида очень сильное, но круглое. Заряженные частицы движутся по кругу, следуя силовым линиям поля, и сталкиваются друг с другом, возможно, вызывая синтез.Но заряженные частицы не пересекают силовые линии и не покидают тороид. Целый ряд форм катушек используется для создания всевозможных форм магнитного поля. {- 7} \ text {T } \ cdot \ text {m / A} \\ [/ latex] – проницаемость свободного пространства.

Концептуальные вопросы

1. Сделайте чертеж и используйте RHR-2, чтобы найти направление магнитного поля токовой петли в двигателе (например, на Рисунке 1 из «Крутящий момент на токовой петле»). Затем покажите, что направление крутящего момента на петле такое же, как и при отталкивании одинаковых полюсов и притяжении разных полюсов.

Глоссарий

линейка правая 2 (RHR-2):

правило для определения направления магнитного поля, создаваемого токоведущим проводом: направьте большой палец правой руки в направлении тока, а пальцы согнуты в направлении петель магнитного поля

Напряженность (величина) магнитного поля, создаваемого длинным прямым проводом с током:

определяется как [latex] B = \ frac {\ mu_ {0} I} {2 \ pi r} \\ [/ latex], где I – ток, r – кратчайшее расстояние до провода, а мкм ₀ – проницаемость свободного пространства

проницаемость свободного пространства:

– мера способности материала, в данном случае свободного пространства, поддерживать магнитное поле; константа [латекс] \ mu_ {0} = 4 \ pi \ times 10 ^ {- 7} T \ cdot \ text {m / A} \\ [/ latex]

Напряженность магнитного поля в центре круговой петли:

определяется как [латекс] B = \ frac {{\ mu} _ {0} I} {2R} \\ [/ latex], где R – радиус петли

соленоид:

Тонкая проволока, намотанная на катушку, которая создает магнитное поле при прохождении через нее электрического тока

Напряженность магнитного поля внутри соленоида:

определяется как [латекс] B = {\ mu} _ {0} \ text {nI} \\ [/ latex], где n – количество петель на единицу длины соленоида n = N / l , где N – количество петель и l – длина)

Закон Био-Савара:

физический закон, который описывает магнитное поле, создаваемое электрическим током, с помощью специального уравнения

Закон Ампера:

физический закон, который гласит, что магнитное поле вокруг электрического тока пропорционально току; каждый сегмент тока создает магнитное поле, подобное тому, которое имеет длинный прямой провод, а общее поле тока любой формы представляет собой векторную сумму полей, создаваемых каждым сегментом

Уравнения Максвелла:

Набор из четырех уравнений, описывающих электромагнитные явления

электромагнетизм – Почему магнитное поле катушки не «сокращается»?

Вернемся назад и рассмотрим закон Био-Савара для нитевидного тока:

$$ B (r) \ propto \ int_C I (r ‘) \ times \ frac {r-r’} {4 \ pi | r-r ‘| ^ 3} \, dr’ $$

Как я уже писал, $ r ‘$ – это некоторая позиция на катушке (мы интегрируем по катушке, чтобы получить все магнитное поле).$ r $ – это позиция, в которой мы хотим найти поле – где-то внутри пустого тела катушки.

Рассмотрим $ r $ прямо в центре катушки. Когда мы начинаем интегрировать, мы скользим по катушке. Я буду перемещаться по петле по часовой стрелке, поэтому давайте начнем с $ r ‘$ с верхней части теста, перейдем к верхней части страницы и начнем обход самой верхней петли катушки.

Когда мы начинаем с правой части самого верхнего цикла, мгновенное направление тока выходит за пределы страницы.3] $ как подынтегральное выражение. $ -r ‘$ направляет внутрь, к центру катушки. Должно быть ясно, что результирующее магнитное поле от небольшого отрезка провода в этой точке катушки направлено как вниз, так и влево.

Давайте посмотрим, что происходит, когда мы дойдем до самой левой части самого верхнего цикла. Вектор $ r ‘$ направлен вниз и влево. Текущий находится на странице. Результирующее магнитное поле направлено вниз и вправо.

В общем, когда мы пересекаем самый верхний контур, каждый небольшой кусок провода добавляет магнитное поле, которое направлено (а) вниз и (б) направлено наружу из катушки.(Напомню, что сейчас мы говорим о магнитном поле только в центре всей катушки ).

Если бы самая верхняя петля была осесимметричной, мы могли бы утверждать, что любые компоненты, которые направлены от центральной оси катушки, должны уравновешиваться. Настоящая катушка не обладает такой симметрией, но она «довольно близка» к вращательной симметрии, и любые такие реальные компоненты должны быть небольшими.

Все остальные петли работают в основном так же, создавая только чистое направленное вниз магнитное поле при объединении по всей круговой петле.

По какой-то причине вы назвали вклад магнитного поля из разных точек как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки. Я не понимаю этого. Эта катушка не создает никаких замкнутых магнитных петель, которые можно увидеть в этом масштабе. Поле более четко описано с использованием фиксированных направлений (внутрь или наружу, влево или вправо, вниз или вверх).

Думаю, именно по этой причине вы подумали, что «по часовой стрелке и против часовой стрелки следует отменить». Но вы описали это более правильно, сказав, что в обеих точках присутствует нисходящий компонент; Единственное, что может отменить нисходящую составляющую, – это восходящая составляющая! Вы были правы, сказав, что в точках, где ток перемещается влево, направление поля – вниз и за пределы страницы, а когда ток движется вправо, направление поля – вниз и внутрь страницы.Просто отменяются только компоненты входа / выхода из страницы, а чистое движение вниз остается позади.

генерирует высокочастотное магнитное поле с помощью этой резонансной техники

Многочисленные тестовые и измерительные приложения требуют высокочастотного магнитного поля. Часто требуется высокая напряженность поля. Примеры таких приложений включают биомедицинские исследования влияния магнитного поля на живые клетки, научные эксперименты, калибровку датчиков, интерференцию магнитного поля на электронные изделия и многое другое.

Одним из наиболее распространенных методов создания магнитного поля является пара катушек Гельмгольца. Он создает очень однородное магнитное поле на большом открытом пространстве. На рисунке 1 показано изображение пары катушек Гельмгольца, возбуждаемой усилителем функционального генератора. Хотя большинство магнитных полей катушек Гельмгольца являются статическими или постоянными, все больше испытаний и экспериментов требуют переменного магнитного поля в широком диапазоне частот. Получение сильного переменного магнитного поля сталкивается с рядом проблем, которых нет в постоянных полях.

1. Пара катушек Гельмгольца приводится в действие усилителем функционального генератора для создания переменного магнитного поля.

Для создания сильных магнитных полей в катушках требуется большой электрический ток. При постоянном токе или низкой частоте сопротивление катушки невелико, и довольно легко получить высокий ток. В импедансе катушки обычно преобладает паразитное сопротивление катушки, которое обычно невелико. Доступны обычные источники питания или источники тока для управления катушкой от среднего до высокого тока.

Однако при высокой частоте сопротивление магнитной катушки увеличивается пропорционально частоте. Импеданс может быть очень большим, часто во много раз превышающим сопротивление. Импеданс катушки Z пропорционален частоте и индуктивности (см. Уравнение 1) . На более высокой частоте импеданс может быть в десятки, сотни и даже тысячи раз больше, чем сопротивление. Трудно получить большой ток при таком высоком импедансе.

Для расчета тока катушки используйте уравнение 2.Ток через катушку обратно пропорционален частоте. Для данной амплитуды напряжения ток катушки уменьшается с увеличением частоты.

I – величина тока катушки, V – амплитуда напряжения, Z – импеданс катушки, ω – угловая частота (ω = 2πf), а L и R – индуктивность и сопротивление катушки соответственно. Уравнения 1 и 2 предназначены для типовых катушек, таких как соленоиды, катушки Гельмгольца, индукторы и т. Д. Для пары катушек Гельмгольца переменного тока эти две катушки соединены последовательно, что увеличивает сопротивление в 2 раза, а индуктивность – чуть более чем в 2 раза. (примерно 2.11X для большинства пар катушек).

В случае низкой частоты или низкой индуктивности, или того и другого, просто пропустить через катушку сильный переменный ток с помощью усилителя тока с высокой выходной мощностью, такого как TS250. Сопротивление катушки достаточно низкое, поэтому она может управляться усилителем (рис. 2) . Катушку можно смоделировать (низкочастотная модель) как паразитный резистор, соединенный последовательно с идеальной катушкой индуктивности. Паразитное сопротивление резистора обычно невелико. В случае катушки Гельмгольца две катушки, соединенные последовательно, по-прежнему моделируются как одна катушка, но в два раза больше индуктивности и сопротивления.

2. Сильноточный усилитель формы сигнала используется для создания переменного магнитного поля.

Однако, когда частота очень высока, полное сопротивление катушки электромагнита увеличивается с частотой, как описано в уравнении 1. Когда требуется высокочастотное магнитное поле, сопротивление катушки очень высокое. Таким образом, необходим высоковольтный драйвер для пропускания через катушку большого тока.

Например, на частоте 100 кГц полное сопротивление катушки электромагнита 10 мГн будет 6283 Ом.Для создания достаточно сильного магнитного поля требуется большой ток. Если нужен 4 А, то необходимое напряжение больше 25 кВ! Будет очень сложно и непрактично сконструировать драйвер, который может вырабатывать 25 кВ и 4 А с реактивной мощностью 100 кВт.

Резонансная техника

Метод прямого привода, показанный на рис. 1, не может подавать большой ток в магнитную катушку с высокой частотой. Для получения магнитного поля высокой интенсивности и высокой частоты требуется резонансная техника для уменьшения импеданса.

Как показано на рис. 3 , конденсатор добавлен последовательно с катушкой. Импеданс катушки и конденсатора складывается; их импеданс рассчитывается по уравнениям 3 и формулам 4 . Импеданс конденсатора отрицательный, а импеданс катушки положительный. Когда емкость выбрана правильно, она действует как компонент компенсации импеданса. Таким образом, конденсатор снижает полное сопротивление.

3. Высокая напряженность поля на высокой частоте достигается за счет использования резонансного конденсатора для компенсации импеданса катушки.

Фактически, на резонансной частоте полное сопротивление емкости полностью компенсирует сопротивление индуктивности. Другими словами, импедансы катушки и конденсатора равны по величине, но противоположны по полярности. В резонансе драйвер усилителя формы сигнала «видит» только сопротивление катушки. Благодаря тому, что в системе осталось лишь небольшое сопротивление, усилитель с высоким выходным током теперь может пропускать очень большой ток через катушку или соленоид Гельмгольца даже на высокой частоте. Резонансный метод позволяет усилителю функционального генератора генерировать сильное магнитное поле.

Давайте рассмотрим пример, чтобы лучше понять, как резонансный конденсатор может компенсировать импеданс. Катушка или соленоид в Рис. 4 составляет 2 мГн, а желаемая частота – 200 кГц. Если частота находится в резонансном состоянии, напряжение на катушке составляет +2,5 кВ, а напряжение на последовательном конденсаторе составляет -2,5 кВ. Следовательно, полное сетевое напряжение на комбинации катушки индуктивности и конденсатора равно нулю. Таким образом, LC представляет собой короткое замыкание на резонансной частоте.

4. Импеданс компенсируется конденсатором.

Усилитель формы волны TS250 «видит» только паразитное сопротивление катушки как нагрузку. Как правило, сопротивление магнитной катушки невелико, что позволяет усилителю пропускать через катушку соленоида большой ток с низким напряжением. Напряжение на катушке все еще очень велико. Интересно отметить, что сумма напряжений в замкнутом контуре составляет 0 В, что регулируется законом Кирхгофа о напряжении.

Резонансный метод – наиболее практичный способ создания сильного высокочастотного магнитного поля.Единственный недостаток – это то, что он работает в узком частотном диапазоне около резонанса. Чтобы иметь возможность создавать электромагнитное поле в более широком частотном диапазоне, пользователю необходимо менять конденсатор несколько раз. Обычно идеальный резонанс не требуется – вам просто нужен конденсатор, чтобы компенсировать достаточное сопротивление, чтобы драйвер мог управлять достаточным током. Это позволяет работать с немного более широким частотным диапазоном.

Расчет резонансной емкости

Резонансное состояние – это когда реактивное сопротивление конденсатора равно по величине реактивному сопротивлению катушки индуктивности, но имеет противоположную полярность, как описано выше.Поэтому рассчитайте последовательную резонансную емкость так, чтобы реактивное сопротивление конденсатора было таким же, как реактивное сопротивление катушки на заданной резонансной частоте.

Используя приведенный выше пример для катушек Гельмгольца 2 мГн и режима работы 200 кГц, последовательная емкость рассчитывается как 317 пФ.

Выберите резонансный конденсатор с высокой добротностью (низким ESR) и низким ESL (электростатической индуктивностью) для компенсации импеданса. Конденсатор должен быть рассчитан на высокое напряжение.Номинальное напряжение рассчитывается по следующей формуле:

, где I – пиковый ток.

В приведенном выше примере номинальное напряжение должно быть не менее 2,5 кВ (В = 1 А * 2512 Ом = 2512 В). Добавьте дополнительный запас по номинальному напряжению, если используется более высокий ток.

Практическое ограничение максимальной частоты

В резонансной технике используется конденсатор последовательного резонанса для компенсации реактивного сопротивления катушки; теоретически это снизит импеданс до паразитного сопротивления.Теоретически частота и напряженность магнитного поля могут быть очень высокими. Однако есть некоторые практические ограничения.

Первое ограничение – это номинальное напряжение конденсатора. Уравнение 8 используется для расчета номинального напряжения конденсатора для заданного тока катушки, индуктивности и частоты. Если требуемое напряжение меньше 10 кВ, обычно имеется множество конденсаторов на выбор. Если напряжение выше 10 кВ, доступно меньше конденсаторов. Как показывает практика, максимальное практическое напряжение составляет около 50 кВ.Если напряжение выше 50 кВ, возникнут другие практические проблемы, такие как электрическая дуга.

Второе практическое ограничение – это емкость. На более высокой частоте значение емкости уменьшается. Обычно рекомендуется емкость 100 пФ или больше. Возможно снижение емкости до 10 пФ, но начинает действовать паразитная емкость от соединительных проводов и самой катушки.

Конструкция змеевика

Магнитное поле в соленоидных катушках задается уравнением-9 и уравнением-10 для пары катушек Гельмгольца.

B – магнитное поле, µ – проницаемость, N – количество витков, L – длина, I – ток, R – радиус катушки.

Сильное магнитное поле в электромагнитной катушке может быть достигнуто различными способами: увеличивать количество витков, увеличивать ток, увеличивать проницаемость и уменьшать радиус.

Увеличьте количество витков (N)

В электромагнитных катушках, таких как соленоиды, индукторы и катушки Гельмгольца, магнитное поле пропорционально количеству витков.Увеличение числа витков приведет к усилению магнитного поля. Однако это также увеличивает индуктивность и паразитную емкость. Как обсуждалось выше, более высокая индуктивность нежелательна и потребует более высокого напряжения конденсатора.

Обычно индуктивность пропорциональна квадрату (степени двойки) количества витков. Для высокочастотного магнитного поля рекомендуется уменьшить количество витков, но увеличить ток. Таким образом, вы можете получить такую ​​же напряженность поля, но снизить индуктивность и снизить номинальное напряжение конденсатора.

Саморезонансный

Увеличение числа витков также увеличивает паразитную емкость C _P (Рис. 5) . Чем выше значение C _{, P} , тем ниже собственная резонансная частота катушки. Как правило, рабочая частота должна быть в 2-5 раз ниже собственной резонансной частоты (см. Таблицу ниже) . Более низкая собственная резонансная частота из-за C _P ограничивает максимальную рабочую частоту катушки.

5.Модель индуктора с паразитными R и C _P .

Уменьшить радиус катушки

Обычно уменьшение радиуса катушки не изменяет магнитное поле для длинных соленоидов, но уменьшает индуктивность и C _P . Уменьшение C _P увеличит частоту собственного резонанса. Поэтому при проектировании катушки старайтесь, чтобы радиус был как можно меньше.

В случае катушки Гельмгольца уменьшение радиуса дает три положительных преимущества.Меньший радиус увеличивает магнитное поле, увеличивает частоту собственного резонанса и снижает индуктивность. Меньшая индуктивность имеет первостепенное значение, как обсуждалось выше в разделе «Практическое ограничение максимальной частоты». Опять же, сохраняйте радиус как можно меньше.

Повышение проницаемости

Для научных экспериментов, отличных от катушки с воздушным сердечником, в катушку можно вставить магнитный сердечник для увеличения магнитного поля. Не все основные материалы одинаковы.Некоторые магнитные материалы обладают высокой проницаемостью, но для низкочастотных применений и с низким уровнем насыщения. Выберите магнитный материал для рабочей частоты, который не насыщается при желаемой напряженности магнитного поля. Магнитопровод также увеличивает индуктивность.

Таким образом, используйте следующие критерии для проектирования магнитных катушек переменного тока:

• Катушка должна быть рассчитана на допустимую нагрузку по току и мощности (нагреву).

– Низкое сопротивление, чтобы уменьшить нагрев и обеспечить более высокий ток.

– Считайте, что сопротивление увеличивается с высокой частотой из-за скин-эффекта.

• Рассмотрите возможность уменьшения количества витков, но увеличения тока, чтобы снизить индуктивность.
• Убедитесь, что собственная резонансная частота катушки в 2-5 раз выше рабочей частоты.
• Сохраняйте радиус катушки как можно меньшим, чтобы уменьшить сопротивление, индуктивность и паразитную емкость.
• При желании выберите магнитопровод с высокой магнитной проницаемостью, но рассчитанный на рабочую частоту и высокое поле насыщения.
• Спроектируйте катушку для работы с высоким напряжением (избегайте электрической дуги).

Результаты моделирования

Используя модель катушки индуктивности на рис. 5, катушка возбуждается синусоидальным напряжением ± 1 В. В этом примере L = 1 мГн; C _P = 125 пФ; R = 0,5 Ом; Cs = 470 пФ; и рабочая частота такая же, как последовательная резонансная частота 206 кГц. Собственная резонансная частота катушки составляет 450 кГц.

6. Катушка индуктивности работает на последовательной резонансной частоте 206 кГц.Примерно на половине собственной резонансной частоты ток катушки индуктивности уменьшается из-за «утечки» тока в паразитном конденсаторе C _P .

На рисунке 6 показан ток индуктора. Пиковый ток индуктора составляет 1,56 А, а пиковый ток C _P составляет 328 мА на 180 градусов. не в фазе. Сравните это с саморезонансным 2299 кГц в таблице – пиковый ток индуктора составляет 1,96 А при токе только 20 мА C _P . Следовательно, когда рабочая последовательная резонансная частота близка к собственной резонансной частоте, это снижает ток катушки индуктивности.Глядя на данные моделирования в таблице, можно использовать катушку примерно до половины собственной резонансной частоты. На этой частоте ток катушки уменьшается примерно на 25%. Не рекомендуется, чтобы резонансная частота рабочего ряда была выше половины собственной резонансной частоты.

Осторожно: возможное поражение электрическим током

Обсуждаемая выше сильноточная электромагнитная катушка может накапливать достаточно энергии, чтобы стать причиной поражения электрическим током.Убедитесь, что все электрические соединения изолированы высоковольтными изоляторами. Провода должны быть рассчитаны на напряжения, указанные ранее. Всегда отключайте выход усилителя перед подключением или отключением катушки и конденсатора.

Заключение

Для создания сильного переменного магнитного поля необходим сильноточный усилитель.