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

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

Практический интерес представляет собой магнитное поле катушки с током.

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

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

 

Рис. 1

 

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

 

Рис. 2

 

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

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

 

Рис. 3

 

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

 

Рис. 4

 

Железные опилки располагаются, образуя замкнутые кривые.

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

 

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

 

Магнитное действие катушки с током прямо пропорциональна числу витков в ней.

Соберём электрическую цепь из катушки, реостата (рис. 5), при помощи которого будем изменять силу тока в катушке.

Действие магнитного поля катушки с током прямо пропорционально силе тока.

 

Рис. 5

 

Для усиления магнитного действия катушки с током вводят внутрь катушки железный стержень (сердечник) (рис. 6).

Сердечник, введённый внутрь катушки, усиливает магнитное действие катушки.

 

Рис. 6

 

Направление магнитного поля тока связано с направлением тока в катушке.

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

 

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

 

Рис. 7

Магнитное поле проводника и катушки с током. Магнитное поле на оси короткой катушки с током. Что мы узнали

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.

Если проводник, по которому проходит электрический ток, внести в магнитное поле, то в результате взаимодействия магнитного поля и проводника с током проводник будет перемещаться в ту или иную сторону.
Направление перемещения проводника зависит от направления тока в нем и от направления магнитных линий поля.

Допустим, что в магнитном поле магнита NS находится проводник, расположенный перпендикулярно плоскости рисунка; по проводнику протекает ток в направлении от нас за плоскость рисунка.

Ток, идущий от плоскости рисунка к наблюдателю, обозначается условно точкой, а ток, направляющийся за плоскость рисунка от наблюдателя,- крестом.

Движение проводника с током в магнитном поле
1 – магнитное поле полюсов и тока проводника,
2 – результирующее магнитное поле.

Всегда всё уходящее на изображениях обозначается крестом,
а направленное на смотрящего – точкой.

Под действием тока вокруг проводника образуется свое магнитное поле рис.1 .
Применяя правило буравчика, легко убедиться, что в рассматриваемом нами случае направление магнитных линий этого поля совпадает с направлением движения часовой стрелки.

При взаимодействии магнитного поля магнита и поля, созданного током, образуется результирующее магнитное поле, изображенное на рис.2 .
Густота магнитных линий результирующего поля с обеих сторон проводника различна. Справа от проводника магнитные поля, имея одинаковое направление, складываются, а слева, будучи направленными встречно, частично взаимно уничтожаются.

Следовательно, на проводник будет действовать сила, большая справа и меньшая слева. Под действием большей силы проводник будет перемещаться по направлению силы F.

Перемена направления тока в проводнике изменит направление магнитных линий вокруг него, вследствие чего изменится и направление перемещения проводника.

Для определения направления движения проводника в магнитном поле можно пользоваться правилом левой руки, которое формулируется следующим образом:

Если расположить левую руку так, чтобы магнитные линии пронизывали ладонь, а вытянутые четыре пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление движения проводника.

Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, зависит как от тока в проводнике, так и от интенсивности магнитного поля.

Основной величиной, характеризующей интенсивность магнитного поля, является магнитная индукция В . Единицей измерения магнитной индукции является тесла (

Тл=Вс/м2 ).

О магнитной индукции можно судить по силе действия магнитного поля на проводник с током, помещенный в это поле. Если на проводник длиной 1 м и с током 1 А , расположенный перпендикулярно магнитным линиям в равномерном магнитном поле, действует сила в 1 Н (ньютон), то магнитная индукция такого поля равна 1 Тл (тесла).

Магнитная индукция является векторной величиной, ее направление совпадает с направлением магнитных линий, причем в каждой точке поля вектор магнитной индукции направлен по касательной к магнитной линии.

Сила F , действующая на проводник с током в магнитном поле, пропорциональна магнитной индукции В , току в проводнике I и длине проводника l , т. е.
F=BIl .

Эта формула верна лишь в том случае, когда проводник с током расположен перпендикулярно магнитным линиям равномерного магнитного поля.
Если проводник с током находится в магнитном поле под каким-либо углом

а по отношению к магнитным линиям, то сила равна:
F=BIl sin a .
Если проводник расположить вдоль магнитных линий, то сила F станет равной нулю, так кака=0 .

Электромагнитная индукция

Представим себе два параллельных проводника аб и вг , расположенных на близком расстоянии один от другого. Проводник аб подключен к зажимам батареи Б ; цепь включается ключомК , при замыкании которого по проводнику проходит ток в направлении от а к б . К концам же проводника вг присоединен чувствительный амперметрА , по отклонению стрелки которого судят о наличии тока в этом проводнике.

Если в собранной таким образом схеме замкнуть ключ К , то в момент замыкания цепи стрелка амперметра отклонится, свидетельствуя о наличии тока в проводнике вг ;
по прошествии же небольшого промежутка времени (долей секунды) стрелка амперметра придет в исходное (нулевое) положение.

Размыкание ключа К опять вызовет кратковременное отклонение стрелки амперметра, но уже в другую сторону, что будет указывать на возникновение тока противоположного направления.
Подобное отклонение стрелки амперметра А можно наблюдать и в том случае, если, замкнув ключ К , приближать проводник аб к проводнику вг или удалять от него.

Приближение проводника аб к вг вызовет отклонение стрелки амперметра в ту же сорону, что и при замыкании ключа К , удаление проводника аб от проводника вг повлечет за собой отклонение стрелки амперметра, аналогичное отклонению при размыкании ключа К .

При неподвижных проводниках и замкнутом ключе К ток в проводнике вг можно вызвать изменением величины тока в проводнике аб .
Аналогичные явления происходят и в том случае, если проводник, питаемый током, заменить магнитом или электромагнитом.

Так, например, на рисунке схематически изображена катушка (соленоид) из изолированной проволоки, к концам которой подключен амперметр А .

Если внутрь обмотки быстро ввести постоянный магнит (или электромагнит), то в момент его введения стрелка амперметра А отклонится; при выведении магнита будет также наблюдаться отклонение стрелки амперметра, но в другую сторону.

Электрические токи, возникающие при подобных обстоятельствах, называются индукционными, а причина, вызывающая появление индукционных токов, электродвижущей силой индукции.

Эта эдс возникает в проводниках под действием изменяющихся магнитных полей,
в которых находятся эти проводники.
Направление эдс индукции в проводнике, перемещающемся в магнитном поле, может быть определено по правилу правой руки, которое формулируется так.

Проведем окружность радиуса R , совпадающую со средней магнитной линией кольцевой катушки (рис. 3-11), имеющей равномерно распределенную обмотку, состоящую из

ɯ витков.

Полный ток, пронизывающий поверхность, ограниченную средней магнитной линией, ΣI = I ɯ

Вследствие симметрии напряженность поля Н в точках, расположенных на средней магнитной линии, будет одинаковой.

Намагничивающая сила

F M = Hl = H 2πR

Согласно закону полного тока

I ɯ = Hl.

Напряженность магнитного поля на средней магнитной линии (осевой линии) кольцевой катушки

H = I ɯ : l

Рис. 3-11. Кольцевая катушка.

а магнитная индукция

B = μaH = μa (I ɯ/l )

Считая магнитную индукцию на осевой линии кольцевой катушки равной ее среднему значению (что допустимо при R 1 – R 2 R 1), напишем выражение для магнитного потока катушки:

Ф = BS = μ а ((IɯS

):l )

Рис. 3-12.

Зависимость (3-20) аналогична закону Ома для электрической цепи и поэтому называется законом Ома для магнитной цепи; здесь Ф – магнитный поток аналогичен току; F M – н. с. аналогична э. д. с, a R M – сопротивление магнитной цепи – магнитопровода – аналогично сопротивлению электрической цепи. Под магнитной цепью здесь следует понимать магнитопровод – сердечник, в котором под действием н. с. замыкается магнитный поток.

Цилиндрическую катушку (рис. 3-12) можно рассматривать как часть кольцевой катушки с бесконечно большим

радиусом с обмоткой, расположенной только на части сердечника, длина которой равна длине катушки. Напряженность поля и магнитная индукция на осевой линии в центре катушки определяются по тем же формулам, как и для кольцевой катушки. Но для цилиндрической катушки эти формулы являются приближенными. Ими можно пользоваться для определения Н и В внутри длинной катушки, длина которой значительно больше ее диаметра.

Статья на тему Магнитное поле катушки с током

Проводник, по которому протекает электрический ток, создает магнитное поле которое характеризуется вектором напряженности `H (рис. 3). Напряженность магнитного поля подчиняется принципу суперпозиции

а, согласно закону Био-Савара-Лапласа,

где I – сила тока в проводнике, – вектор, имеющий длину элементарного отрезка проводника и направленный по направлению тока, `r – радиус вектор, соединяющий элемент с рассматриваемой точкой P .

Одной из часто встречающихся конфигураций проводников с током является виток в виде кольца радиуса R (рис. 3, а). Магнитное поле такого тока в плоскости, проходящей через ось симметрии, имеет вид (см. рис. 3, б). Поле в целом должно иметь вращательную симметрию относительно оси z (рис. 3, б), а сами силовые линии должны быть симметричны относительно плоскости петли (плоскости xy ). Поле в непосредственной близости от проводника будет напоминать поле вблизи длинного прямого провода, так как здесь влияние удаленных частей петли относительно невелико. На оси кругового тока поле направлено вдоль оси

Z .

Вычислим напряженность магнитного поля на оси кольца в точке расположенной на расстоянии z от плоскости кольца. По формуле (6) достаточно вычислить z-компоненту вектора :

. (7)

Интегрируя по всему кольцу, получим òdl = 2pR . Поскольку, согласно теореме Пифагора r 2 = R 2 + z 2 , то искомое поле в точке на оси по величине равно

. (8)

Направление вектора `H может быть направлено по правилу правого винта.

В центре кольца z = 0 и формула (8) упрощается:

Нас интересуеткороткая катушка – цилиндрическая проволочная катушка, состоящая из N витков одинакового радиуса. Из-за осевой симметрии и в соответствии с принципом суперпозиции магнитное поле такой катушки на оси H представляет собой алгебраическую сумму полей отдельных витков H i: . Таким образом, магнитное поле короткой катушки, содержащей N к витков, в произвольной точке оси рассчитывается по формулам

, , (10)

где H – напряженность, B – индукция магнитного поля.

Магнитное поле соленоида с током

Для расчета индукции магнитного поля в соленоиде используется теорема о циркуляции вектора магнитной индукции:

, (11)

где – алгебраическая сумма токов, охватываемых контуром L произвольной формы, n – число проводников с токами, охватываемых контуром. При этом каждый ток учитывается столько раз, сколько раз он охватывается контуром, а положительным считается ток, направление которого образует с направлением обхода по контуру правовинтовую систему, – элемент контура L .

Применим теорему о циркуляции вектора магнитной индукции к соленоиду, длиной l , имеющим N с витков с силой тока I (рис. 4). В расчете учтем, что практически всё поле сосредоточено внутри соленоида (краевыми эффектами пренебрегаем) и оно является однородным. Тогда формула 11 примет вид:

,

откуда находим индукцию магнитного поля, создаваемую током внутри соленоида:

Рис. 4. Соленоид с током и его магнитное поле

Схема установки

Рис. 5 Принципиальная электрическая схема установки

1 – измеритель индукции магнитного поля (тесламетр), А – амперметр, 2 – соединительный провод, 3 – измерительный щуп, 4 – датчик Холла*, 5 – исследуемый объект (короткая катушка, прямой проводник, соленоид), 6 – источник тока, 7 – линейка для фиксирования положения датчика, 8 – держатель щупа.

* – принцип работы датчика основан на явлении эффекта Холла (см. лаб. работу № 15 Изучение эффекта Холла)

Порядок выполнения работы

1. Исследование магнитного поля короткой катушки

1.1. Включить приборы. Выключатели источника питания и тесламетра расположены на задних панелях.

1.2. В качестве исследуемого объекта 5 (см. рис. 5) установить в держатель короткую катушку и подключить ее к источнику тока 6.

1.3. Регулятор напряжения на источнике 6 поставить в среднее положение. Установить силу тока, равную нулю, путем регулировки выхода силы тока на источнике 6 и произвести контроль по амперметру (значение должно быть равно нулю).

1.4. Регуляторами грубой 1 и тонкой настройки 2 (рис. 6) добиться нулевых показаний тесламетра.

1.5. Установить держатель с измерительным щупом на линейке в удобном для считывания положении – например, в координате 300 мм. В дальнейшем принять это положение за нулевое. Следить при установке и в процессе измерений за параллельностью между щупом и линейкой.

1.6. Расположить держатель с короткой катушкой таким образом, чтобы датчик Холла 4 находился в центре витков катушки (рис. 7). Для этого использовать зажимно – регулировочный винт по высоте на держателе измерительного щупа. Плоскость катушки должна быть перпендикулярна щупу. В процессе подготовки измерений перемещать держатель с исследуемым образцом, оставляя неподвижным измерительный щуп.

1.7. Убедиться, что за время прогрева тесламетра, его показания остались нулевыми. Если это не выполнено – установить нулевые показания тесламетра при нулевом токе в образце.

1.8. Установить силу тока в короткой катушке 5 А (путем регулировки выхода на источнике питания 6, Constanter/Netzgerät Universal).

1.9. Измерить магнитную индукцию B эксп на оси катушки в зависимости от расстояния до центра катушки. Для этого смещать держатель измерительного щупа по линейке, сохраняя параллельность своему первоначальному положению. Отрицательные значения z соответствуют смещению щупа в область меньших координат, чем начальная, и наоборот – положительные значения z – в области больших координат. Данные занести в таблицу 1.

Таблица 1 Зависимость магнитной индукции на оси короткой катушки от расстояния до центра катушки

1.10. Повторить пункты 1.2 – 1.7.

1.11. Измерить зависимость индукции в центре витка от силы тока, проходящей через катушку. Данные занести в таблицу 2.

Таблица 2 Зависимость магнитной индукции в центре короткой катушки от силы тока в ней

2. Исследование магнитного поля соленоида

2.1. В качестве исследуемого объекта 5 установить соленоид на регулируемую по высоте металлическую скамью из немагнитного материала (рис. 8).

2.2. Повторить 1.3 – 1.5.

2.3. Отрегулировать высоту скамьи так, чтобы измерительный щуп проходил по оси симметрии соленоида, а датчик Холла оказался в середине витков соленоида.

2.4. Повторить пункты 1.7 – 1.11 (вместо короткой катушки здесь используется соленоид). Данные занести соответственно в таблицы 3 и 4. При этом координату центра соленоида определить следующим образом: установить датчик Холла в начало соленоида и зафиксировать координату держателя. Затем передвигать держатель по линейке вдоль оси соленоида до тех пор пока конец датчика не окажется на другой стороне соленоида. Зафиксировать координату держателя в этом положении. Координата центра соленоида будет равна среднему арифметическому из двух измеренных координат.

Таблица 3 Зависимость магнитной индукции на оси соленоида от расстояния до его центра.

2.5. Повторить пункты 1.3 – 1.7.

2.6. Измерить зависимость индукции в центре соленоида от силы тока, проходящей через катушку. Данные занести в таблицу 4.

Таблица 4 Зависимость магнитной индукции в центре соленоида от силы тока в нем

3. Исследование магнитного поля прямого проводника с током

3.1. В качестве исследуемого объекта 5 установить прямой проводник с током (рис. 9, a). Для этого соединить провода, идущие от амперметра и источника питания между собой (закоротить внешнюю цепь) и расположить проводник непосредственно на краю щупа 3 у датчика 4, перпендикулярно щупу (рис. 9, b). Для поддержки проводника использовать регулируемую по высоте металлическую скамью из немагнитного материала с одной стороны щупа и держатель для исследуемых образцов – с другой стороны (в одно из гнезд держателя можно включить клемму проводника для более надежной фиксации этого проводника). Проводнику придать прямолинейную форму.

3.2. Повторить пункты 1.3 – 1.5.

3.3. Определить зависимость магнитной индукции от силы тока в проводнике. Измеренные данные занести в таблицу 5.

Таблица 5 Зависимость магнитной индукции, создаваемой прямолинейным проводником, от силы тока в нем

4. Определение параметров исследованных объектов

4.1. Определить (при необходимости – измерить) и записать в таблицу 6 необходимые для расчетов данные: N к – число витков короткой катушки, R – её радиус; N с – число витков соленоида, l – его длина, L – его индуктивность (указано на соленоиде), d – его диаметр.

Таблица 6 Параметры исследуемых образцов

Обработка результатов

1. По формуле (10) рассчитать магнитную индукцию, создаваемую короткой катушкой с током. Данные занести в таблицы 1 и 2. По данным таблицы 1 построить теоретическую и экспериментальную зависимости магнитной индукции на оси короткой катушки от расстояния z до центра катушки. Теоретическую и экспериментальную зависимости построить в одних координатных осях.

2. По данным таблицы 2 построить теоретическую и экспериментальную зависимости магнитной индукции в центре короткой катушки от силы тока в ней. Теоретическую и экспериментальную зависимости построить в одних координатных осях. Рассчитать напряженность магнитного поля в центре катушки при силе тока в ней 5 А с использованием формулы (10).

3. По формуле (12) рассчитать магнитную индукцию, создаваемую соленоидом. Данные занести в таблицы 3 и 4. По данным таблицы 3 построить теоретическую и экспериментальную зависимости магнитной индукции на оси соленоида от расстояния z до его центра. Теоретическую и экспериментальную зависимости построить в одних координатных осях.

4. По данным таблицы 4 построить теоретическую и экспериментальную зависимости магнитной индукции в центре соленоида от силы тока в нем. Теоретическую и экспериментальную зависимости построить в одних координатных осях. Рассчитать напряженность магнитного поля в центре соленоида при силе тока в нем 5 А.

5. По данным таблицы 5 построить экспериментальную зависимость магнитной индукции, создаваемой проводником, от силы тока в нем.

6. На основании формулы (5) определить кратчайшее расстояние r o от датчика до проводника с током (это расстояние обусловлено толщиной изоляции проводника и толщиной изоляции датчика в щупе). Результаты расчета занести в таблицу 5. Вычислить среднее арифметическое значение r o , сопоставить с визуально наблюдаемой величиной.

7. Рассчитать индуктивность соленоида L. Результаты расчетов занести в таблицу 4. Сопоставить полученное среднее значение L с зафиксированным значением индуктивности в таблице 6. Для расчета воспользоваться формулой , где Y – потокосцепление, Y = N с BS, где В – магнитная индукция в соленоиде (по данным таблицы 4), S = pd 2 /4 – площадь сечения соленоида.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается закон Био-Савара-Лапласа и как его применять при расчете магнитных полей проводников с током?

2. Как определяется направление вектора H в законе Био-Савара-Лапласа?

3. Как взаимосвязаны вектора магнитной индукции B и напряженности H между собой? Каковы их единицы измерения?

4. Как используется закон Био-Савара-Лапласа в расчете магнитных полей?

5. Как измеряется магнитное поле в данной работе? На каком физическом явлении основан принцип измерения магнитного поля?

6. Дайте определение индуктивности, магнитного потока, потокосцепления. Укажите единицы измерения этих величин.

библиографический список

учебной литературы

1. Калашников Н.П. Основы физики. М.: Дрофа, 2004. Т. 1

2. Савельев И.В . Курс физики. М.: Наука, 1998. Т. 2.

3. Детлаф А.А. , Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 2000.

4. Иродов И.Е Электромагнетизм. М.: Бином, 2006.

5. Яворский Б.М. , Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1998.

Приветствую всех на нашем сайте!

Мы продолжаем изучать электронику с самого начала, то есть с самых основ и темой сегодняшней статьи будет принцип работы и основные характеристики катушек индуктивности . Забегая вперед скажу, что сначала мы обсудим теоретические аспекты, а несколько будущих статей посвятим целиком и полностью рассмотрению различных электрических схем, в которых используются катушки индуктивности, а также элементы, которые мы изучили ранее в рамках нашего курса – и .

Устройство и принцип работы катушки индуктивности.

Как уже понятно из названия элемента – катушка индуктивности, в первую очередь, представляет из себя именно катушку:), то есть большое количество витков изолированного проводника. Причем наличие изоляции является важнейшим условием – витки катушки не должны замыкаться друг с другом. Чаще всего витки наматываются на цилиндрический или тороидальный каркас:

Важнейшей характеристикой катушки индуктивности является, естественно, индуктивность, иначе зачем бы ей дали такое название 🙂 Индуктивность – это способность преобразовывать энергию электрического поля в энергию магнитного поля. Это свойство катушки связано с тем, что при протекании по проводнику тока вокруг него возникает магнитное поле:

А вот как выглядит магнитное поле, возникающее при прохождении тока через катушку:

В общем то, строго говоря, любой элемент в электрической цепи имеет индуктивность, даже обычный кусок провода. Но дело в том, что величина такой индуктивности является очень незначительной, в отличие от индуктивности катушек. Собственно, для того, чтобы охарактеризовать эту величину используется единица измерения Генри (Гн). 1 Генри – это на самом деле очень большая величина, поэтому чаще всего используются мкГн (микрогенри) и мГн (милигенри). Величину индуктивности катушки можно рассчитать по следующей формуле:

Давайте разберемся, что за величину входят в это выражение:

Из формулы следует, что при увеличении числа витков или, к примеру, диаметра (а соответственно и площади поперечного сечения) катушки, индуктивность будет увеличиваться. А при увеличении длины – уменьшаться. Таким образом, витки на катушке стоит располагать как можно ближе друг к другу, поскольку это приведет к уменьшению длины катушки.

С устройством катушки индуктивности мы разобрались, пришло время рассмотреть физические процессы, которые протекают в этом элементе при прохождении электрического тока. Для этого мы рассмотрим две схемы – в одной будем пропускать через катушку постоянный ток, а в другой -переменный 🙂

Итак, в первую очередь, давайте разберемся, что же происходит в самой катушке при протекании тока. Если ток не изменяет своей величины, то катушка не оказывает на него никакого влияния. Значит ли это, что в случае постоянного тока использование катушек индуктивности и рассматривать не стоит? А вот и нет 🙂 Ведь постоянный ток можно включать/выключать, и как раз в моменты переключения и происходит все самое интересное. Давайте рассмотрим цепь:

Резистор выполняет в данном случае роль нагрузки, на его месте могла бы быть, к примеру, лампа. Помимо резистора и индуктивности в цепь включены источник постоянного тока и переключатель, с помощью которого мы будем замыкать и размыкать цепь.

Что же произойдет в тот момент когда мы замкнем выключатель?

Ток через катушку начнет изменяться, поскольку в предыдущий момент времени он был равен 0. Изменение тока приведет к изменению магнитного потока внутри катушки, что, в свою очередь, вызовет возникновение ЭДС (электродвижущей силы) самоиндукции, которую можно выразить следующим образом:

Возникновение ЭДС приведет к появлению индукционного тока в катушке, который будет протекать в направлении, противоположном направлению тока источника питания. Таким образом, ЭДС самоиндукции будет препятствовать протеканию тока через катушку (индукционный ток будет компенсировать ток цепи из-за того, что их направления противоположны). А это значит, что в начальный момент времени (непосредственно после замыкания выключателя) ток через катушку будет равен 0. В этот момент времени ЭДС самоиндукции максимальна. А что же произойдет дальше? Поскольку величина ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения тока, то она будет постепенно ослабевать, а ток, соответственно, наоборот будет возрастать. Давайте посмотрим на графики, иллюстрирующие то, что мы обсудили:

На первом графике мы видим входное напряжение цепи – изначально цепь разомкнута, а при замыкании переключателя появляется постоянное значение. На втором графике мы видим изменение величины тока через катушку индуктивности. Непосредственно после замыкания ключа ток отсутствует из-за возникновения ЭДС самоиндукции, а затем начинает плавно возрастать. Напряжения на катушке наоборот в начальный момент времени максимально, а затем уменьшается. График напряжения на нагрузке будет по форме (но не по величине) совпадать с графиком тока через катушку (поскольку при последовательном соединении ток, протекающий через разные элементы цепи одинаковый). Таким образом, если в качестве нагрузки мы будем использовать лампу, то они загорится не сразу после замыкания переключателя, а с небольшой задержкой (в соответствии с графиком тока).

Аналогичный переходный процесс в цепи будет наблюдаться и при размыкании ключа. В катушке индуктивности возникнет ЭДС самоиндукции, но индукционный ток в случае размыкания будет направлен в том же самом направлении, что и ток в цепи, а не в противоположном, поэтому запасенная энергия катушки индуктивности пойдет на поддержание тока в цепи:

После размыкания ключа возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует уменьшению тока через катушку, поэтому ток достигает нулевого значения не сразу, а по истечении некоторого времени. Напряжение же в катушке по форме идентично случаю замыкания переключателя, но противоположно по знаку. Это связано с тем, что изменение тока, а соответственно и ЭДС самоиндукции в первом и втором случаях противоположны по знаку (в первом случае ток возрастает, а во втором убывает).

Кстати, я упомянул, что величина ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока, так вот, коэффициентом пропорциональности является ни что иное как индуктивность катушки:

На этом мы заканчиваем с катушками индуктивности в цепях постоянного тока и переходим к цепям переменного тока .

Рассмотрим цепь, в которой на катушку индуктивности подается переменный ток:

Давайте посмотрим на зависимости тока и ЭДС самоиндукции от времени, а затем уже разберемся, почему они выглядят именно так:

Как мы уже выяснили ЭДС самоиндукции у нас прямо пропорциональна и противоположна по знаку скорости изменения тока:

Собственно, график нам и демонстрирует эту зависимость 🙂 Смотрите сами – между точками 1 и 2 ток у нас изменяется, причем чем ближе к точке 2, тем изменения меньше, а в точке 2 в течении какого-то небольшого промежутка времени ток и вовсе не изменяет своего значения. Соответственно скорость изменения тока максимальна в точке 1 и плавно уменьшается при приближении к точке 2, а в точке 2 равна 0, что мы и видим на графике ЭДС самоиндукции . Причем на всем промежутке 1-2 ток возрастает, а значит скорость его изменения положительна, в связи с этим на ЭДС на всем этом промежутке напротив принимает отрицательные значения.

Аналогично между точками 2 и 3 – ток уменьшается – скорость изменения тока отрицательная и увеличивается – ЭДС самоиндукции увеличивается и положительна. Не буду расписывать остальные участки графика – там все процессы протекают по такому же принципу 🙂

Кроме того, на графике можно заметить очень важный момент – при увеличении тока (участки 1-2 и 3-4) ЭДС самоиндукции и ток имеют разные знаки (участок 1-2: , title=”Rendered by QuickLaTeX.com”>, участок 3-4: title=”Rendered by QuickLaTeX.com”>, ). Таким образом, ЭДС самоиндукции препятствует возрастанию тока (индукционные токи направлены “навстречу” току источника). А на участках 2-3 и 4-5 все наоборот – ток убывает, а ЭДС препятствует убыванию тока (поскольку индукционные токи будут направлены в ту же сторону, что и ток источника и будут частично компенсировать уменьшение тока). И в итоге мы приходим к очень интересному факту – катушка индуктивности оказывает сопротивление переменному току, протекающему по цепи. А значит она имеет сопротивление, которое называется индуктивным или реактивным и вычисляется следующим образом:

Где – круговая частота: . – это .

Таким образом, чем больше частота тока, тем большее сопротивление будет ему оказывать катушка индуктивности. А если ток постоянный ( = 0), то реактивное сопротивление катушки равно 0, соответственно, она не оказывает влияния на протекающий ток.

Давайте вернемся к нашим графикам, которые мы построили для случая использования катушки индуктивности в цепи переменного тока. Мы определили ЭДС самоиндукции катушки, но каким же будет напряжение ? Здесь все на самом деле просто 🙂 По 2-му закону Кирхгофа:

А следовательно:

Построим на одном графике зависимости тока и напряжения в цепи от времени:

Как видите ток и напряжение сдвинуты по фазе () друг относительно друга, и это является одним из важнейших свойств цепей переменного тока, в которых используется катушка индуктивности:

При включении катушки индуктивности в цепь переменного тока в цепи появляется сдвиг фаз между напряжением и током, при этом ток отстает по фазе от напряжения на четверть периода.

Вот и с включением катушки в цепь переменного тока мы разобрались 🙂

На этом, пожалуй, закончим сегодняшнюю статью, она получилась уже довольно объемной, поэтому дальнейший разговор о катушках индуктивности мы будем вести в следующий раз. Так что до скорых встреч, будем рады видеть вас на нашем сайте!

Соленоид. Электромагниты. Все о магнитах :: Класс!ная физика

СОЛЕНОИД

ЭЛЕКТРОМАГНИТ

Соленоид – это катушка индуктивности в виде намотанного на цилиндрическую поверхность изолированного проводника, по которому течёт электрический ток. Электрический ток в обмотке создает в окружающем пространстве магнитное поле соленоида.

Соленоид становится магнитом.
Железные опилки притягиваются к концам катушки при прохождении
через нее электрического тока и отпадают при отключении тока.

Сила магнитного поля катушки с током зависит от числа витков катушки,
от силы тока в цепи и от наличия сердечника в катушке.
Чем большее число витков в катушке и чем больше сила тока, тем сильнее магнитное поле. Железный сердечник, введенный внутрь катушки с током усиливает магнитное поле катушки

Если подвесить соленоид на нити, то он повернется и сориентируется в магнитном поле Земли
подобно свободно вращающейся магнитной стрелке.

Конец соленоида, из которого магнитные линии выходят, становится северным полюсом, а другой конец, в который магнитные линии входят, – южным полюсом магнита-соленоида.
___

Графически изображение магнитного поля соленоида похоже на магнитное поле полосового магнита.

Магнитные линии магнитного поля катушки с током замкнутые кривые
и направлены снаружи катушки от северного полюса к южному полюсу.
___

Внутри соленоида, длина которого значительно больше диаметра, магнитные линии магнитного поля параллельны и направлены вдоль соленоида.

Устали? – Отдыхаем!

Тест по физике: Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение (Перышкин, 8 класс) – пройти тест онлайн – игра – вопросы с ответами

• О проекте
• Контакты
• Помощь
• Рекламодателям
• Рус /  Eng

Поиск найти Расширенный поиск

Разделы

• Все Кроссворды Советы Обзоры Статьи

• Викторины Пазлы Рецепты Списки

Искать

• Везде В названии В описании

• В содержании По тегам

10916 викторин, 1066 кроссвордов, 887 пазлов и многое другое…

Тест по физике Магнитное поле катушки с током 8 класс

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

магнитное поле катушки с током. Способы влияния на магнитные силы катушки Наибольшим магнитным полем обладает катушка с

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

Проводник, по которому протекает электрический ток, создает магнитное поле которое характеризуется вектором напряженности `H (рис. 3). Напряженность магнитного поля подчиняется принципу суперпозиции

а, согласно закону Био-Савара-Лапласа,

где I – сила тока в проводнике, – вектор, имеющий длину элементарного отрезка проводника и направленный по направлению тока, `r – радиус вектор, соединяющий элемент с рассматриваемой точкой P .

Одной из часто встречающихся конфигураций проводников с током является виток в виде кольца радиуса R (рис. 3, а). Магнитное поле такого тока в плоскости, проходящей через ось симметрии, имеет вид (см. рис. 3, б). Поле в целом должно иметь вращательную симметрию относительно оси z (рис. 3, б), а сами силовые линии должны быть симметричны относительно плоскости петли (плоскости xy ). Поле в непосредственной близости от проводника будет напоминать поле вблизи длинного прямого провода, так как здесь влияние удаленных частей петли относительно невелико. На оси кругового тока поле направлено вдоль оси Z .

Вычислим напряженность магнитного поля на оси кольца в точке расположенной на расстоянии z от плоскости кольца. По формуле (6) достаточно вычислить z-компоненту вектора :

. (7)

Интегрируя по всему кольцу, получим òdl = 2pR . Поскольку, согласно теореме Пифагора r 2 = R 2 + z 2 , то искомое поле в точке на оси по величине равно

. (8)

Направление вектора `H может быть направлено по правилу правого винта.

В центре кольца z = 0 и формула (8) упрощается:

Нас интересуеткороткая катушка – цилиндрическая проволочная катушка, состоящая из N витков одинакового радиуса. Из-за осевой симметрии и в соответствии с принципом суперпозиции магнитное поле такой катушки на оси H представляет собой алгебраическую сумму полей отдельных витков H i: . Таким образом, магнитное поле короткой катушки, содержащей N к витков, в произвольной точке оси рассчитывается по формулам

, , (10)

где H – напряженность, B – индукция магнитного поля.

Магнитное поле соленоида с током

Для расчета индукции магнитного поля в соленоиде используется теорема о циркуляции вектора магнитной индукции:

, (11)

где – алгебраическая сумма токов, охватываемых контуром L произвольной формы, n – число проводников с токами, охватываемых контуром. При этом каждый ток учитывается столько раз, сколько раз он охватывается контуром, а положительным считается ток, направление которого образует с направлением обхода по контуру правовинтовую систему, – элемент контура L .

Применим теорему о циркуляции вектора магнитной индукции к соленоиду, длиной l , имеющим N с витков с силой тока I (рис. 4). В расчете учтем, что практически всё поле сосредоточено внутри соленоида (краевыми эффектами пренебрегаем) и оно является однородным. Тогда формула 11 примет вид:

,

откуда находим индукцию магнитного поля, создаваемую током внутри соленоида:

Рис. 4. Соленоид с током и его магнитное поле

Схема установки

Рис. 5 Принципиальная электрическая схема установки

1 – измеритель индукции магнитного поля (тесламетр), А – амперметр, 2 – соединительный провод, 3 – измерительный щуп, 4 – датчик Холла*, 5 – исследуемый объект (короткая катушка, прямой проводник, соленоид), 6 – источник тока, 7 – линейка для фиксирования положения датчика, 8 – держатель щупа.

* – принцип работы датчика основан на явлении эффекта Холла (см. лаб. работу № 15 Изучение эффекта Холла)

Порядок выполнения работы

1. Исследование магнитного поля короткой катушки

1.1. Включить приборы. Выключатели источника питания и тесламетра расположены на задних панелях.

1.2. В качестве исследуемого объекта 5 (см. рис. 5) установить в держатель короткую катушку и подключить ее к источнику тока 6.

1.3. Регулятор напряжения на источнике 6 поставить в среднее положение. Установить силу тока, равную нулю, путем регулировки выхода силы тока на источнике 6 и произвести контроль по амперметру (значение должно быть равно нулю).

1.4. Регуляторами грубой 1 и тонкой настройки 2 (рис. 6) добиться нулевых показаний тесламетра.

1.5. Установить держатель с измерительным щупом на линейке в удобном для считывания положении – например, в координате 300 мм. В дальнейшем принять это положение за нулевое. Следить при установке и в процессе измерений за параллельностью между щупом и линейкой.

1.6. Расположить держатель с короткой катушкой таким образом, чтобы датчик Холла 4 находился в центре витков катушки (рис. 7). Для этого использовать зажимно – регулировочный винт по высоте на держателе измерительного щупа. Плоскость катушки должна быть перпендикулярна щупу. В процессе подготовки измерений перемещать держатель с исследуемым образцом, оставляя неподвижным измерительный щуп.

1.7. Убедиться, что за время прогрева тесламетра, его показания остались нулевыми. Если это не выполнено – установить нулевые показания тесламетра при нулевом токе в образце.

1.8. Установить силу тока в короткой катушке 5 А (путем регулировки выхода на источнике питания 6, Constanter/Netzgerät Universal).

1.9. Измерить магнитную индукцию B эксп на оси катушки в зависимости от расстояния до центра катушки. Для этого смещать держатель измерительного щупа по линейке, сохраняя параллельность своему первоначальному положению. Отрицательные значения z соответствуют смещению щупа в область меньших координат, чем начальная, и наоборот – положительные значения z – в области больших координат. Данные занести в таблицу 1.

Таблица 1 Зависимость магнитной индукции на оси короткой катушки от расстояния до центра катушки

1.10. Повторить пункты 1.2 – 1.7.

1.11. Измерить зависимость индукции в центре витка от силы тока, проходящей через катушку. Данные занести в таблицу 2.

Таблица 2 Зависимость магнитной индукции в центре короткой катушки от силы тока в ней

2. Исследование магнитного поля соленоида

2.1. В качестве исследуемого объекта 5 установить соленоид на регулируемую по высоте металлическую скамью из немагнитного материала (рис. 8).

2.2. Повторить 1.3 – 1.5.

2.3. Отрегулировать высоту скамьи так, чтобы измерительный щуп проходил по оси симметрии соленоида, а датчик Холла оказался в середине витков соленоида.

2.4. Повторить пункты 1.7 – 1.11 (вместо короткой катушки здесь используется соленоид). Данные занести соответственно в таблицы 3 и 4. При этом координату центра соленоида определить следующим образом: установить датчик Холла в начало соленоида и зафиксировать координату держателя. Затем передвигать держатель по линейке вдоль оси соленоида до тех пор пока конец датчика не окажется на другой стороне соленоида. Зафиксировать координату держателя в этом положении. Координата центра соленоида будет равна среднему арифметическому из двух измеренных координат.

Таблица 3 Зависимость магнитной индукции на оси соленоида от расстояния до его центра.

2.5. Повторить пункты 1.3 – 1.7.

2.6. Измерить зависимость индукции в центре соленоида от силы тока, проходящей через катушку. Данные занести в таблицу 4.

Таблица 4 Зависимость магнитной индукции в центре соленоида от силы тока в нем

3. Исследование магнитного поля прямого проводника с током

3.1. В качестве исследуемого объекта 5 установить прямой проводник с током (рис. 9, a). Для этого соединить провода, идущие от амперметра и источника питания между собой (закоротить внешнюю цепь) и расположить проводник непосредственно на краю щупа 3 у датчика 4, перпендикулярно щупу (рис. 9, b). Для поддержки проводника использовать регулируемую по высоте металлическую скамью из немагнитного материала с одной стороны щупа и держатель для исследуемых образцов – с другой стороны (в одно из гнезд держателя можно включить клемму проводника для более надежной фиксации этого проводника). Проводнику придать прямолинейную форму.

3.2. Повторить пункты 1.3 – 1.5.

3.3. Определить зависимость магнитной индукции от силы тока в проводнике. Измеренные данные занести в таблицу 5.

Таблица 5 Зависимость магнитной индукции, создаваемой прямолинейным проводником, от силы тока в нем

4. Определение параметров исследованных объектов

4.1. Определить (при необходимости – измерить) и записать в таблицу 6 необходимые для расчетов данные: N к – число витков короткой катушки, R – её радиус; N с – число витков соленоида, l – его длина, L – его индуктивность (указано на соленоиде), d – его диаметр.

Таблица 6 Параметры исследуемых образцов

Обработка результатов

1. По формуле (10) рассчитать магнитную индукцию, создаваемую короткой катушкой с током. Данные занести в таблицы 1 и 2. По данным таблицы 1 построить теоретическую и экспериментальную зависимости магнитной индукции на оси короткой катушки от расстояния z до центра катушки. Теоретическую и экспериментальную зависимости построить в одних координатных осях.

2. По данным таблицы 2 построить теоретическую и экспериментальную зависимости магнитной индукции в центре короткой катушки от силы тока в ней. Теоретическую и экспериментальную зависимости построить в одних координатных осях. Рассчитать напряженность магнитного поля в центре катушки при силе тока в ней 5 А с использованием формулы (10).

3. По формуле (12) рассчитать магнитную индукцию, создаваемую соленоидом. Данные занести в таблицы 3 и 4. По данным таблицы 3 построить теоретическую и экспериментальную зависимости магнитной индукции на оси соленоида от расстояния z до его центра. Теоретическую и экспериментальную зависимости построить в одних координатных осях.

4. По данным таблицы 4 построить теоретическую и экспериментальную зависимости магнитной индукции в центре соленоида от силы тока в нем. Теоретическую и экспериментальную зависимости построить в одних координатных осях. Рассчитать напряженность магнитного поля в центре соленоида при силе тока в нем 5 А.

5. По данным таблицы 5 построить экспериментальную зависимость магнитной индукции, создаваемой проводником, от силы тока в нем.

6. На основании формулы (5) определить кратчайшее расстояние r o от датчика до проводника с током (это расстояние обусловлено толщиной изоляции проводника и толщиной изоляции датчика в щупе). Результаты расчета занести в таблицу 5. Вычислить среднее арифметическое значение r o , сопоставить с визуально наблюдаемой величиной.

7. Рассчитать индуктивность соленоида L. Результаты расчетов занести в таблицу 4. Сопоставить полученное среднее значение L с зафиксированным значением индуктивности в таблице 6. Для расчета воспользоваться формулой , где Y – потокосцепление, Y = N с BS, где В – магнитная индукция в соленоиде (по данным таблицы 4), S = pd 2 /4 – площадь сечения соленоида.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается закон Био-Савара-Лапласа и как его применять при расчете магнитных полей проводников с током?

2. Как определяется направление вектора H в законе Био-Савара-Лапласа?

3. Как взаимосвязаны вектора магнитной индукции B и напряженности H между собой? Каковы их единицы измерения?

4. Как используется закон Био-Савара-Лапласа в расчете магнитных полей?

5. Как измеряется магнитное поле в данной работе? На каком физическом явлении основан принцип измерения магнитного поля?

6. Дайте определение индуктивности, магнитного потока, потокосцепления. Укажите единицы измерения этих величин.

библиографический список

учебной литературы

1. Калашников Н.П. Основы физики. М.: Дрофа, 2004. Т. 1

2. Савельев И.В . Курс физики. М.: Наука, 1998. Т. 2.

3. Детлаф А.А. , Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 2000.

4. Иродов И.Е Электромагнетизм. М.: Бином, 2006.

5. Яворский Б.М. , Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1998.

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.

Приветствую всех на нашем сайте!

Мы продолжаем изучать электронику с самого начала, то есть с самых основ и темой сегодняшней статьи будет принцип работы и основные характеристики катушек индуктивности . Забегая вперед скажу, что сначала мы обсудим теоретические аспекты, а несколько будущих статей посвятим целиком и полностью рассмотрению различных электрических схем, в которых используются катушки индуктивности, а также элементы, которые мы изучили ранее в рамках нашего курса – и .

Устройство и принцип работы катушки индуктивности.

Как уже понятно из названия элемента – катушка индуктивности, в первую очередь, представляет из себя именно катушку:), то есть большое количество витков изолированного проводника. Причем наличие изоляции является важнейшим условием – витки катушки не должны замыкаться друг с другом. Чаще всего витки наматываются на цилиндрический или тороидальный каркас:

Важнейшей характеристикой катушки индуктивности является, естественно, индуктивность, иначе зачем бы ей дали такое название 🙂 Индуктивность – это способность преобразовывать энергию электрического поля в энергию магнитного поля. Это свойство катушки связано с тем, что при протекании по проводнику тока вокруг него возникает магнитное поле:

А вот как выглядит магнитное поле, возникающее при прохождении тока через катушку:

В общем то, строго говоря, любой элемент в электрической цепи имеет индуктивность, даже обычный кусок провода. Но дело в том, что величина такой индуктивности является очень незначительной, в отличие от индуктивности катушек. Собственно, для того, чтобы охарактеризовать эту величину используется единица измерения Генри (Гн). 1 Генри – это на самом деле очень большая величина, поэтому чаще всего используются мкГн (микрогенри) и мГн (милигенри). Величину индуктивности катушки можно рассчитать по следующей формуле:

Давайте разберемся, что за величину входят в это выражение:

Из формулы следует, что при увеличении числа витков или, к примеру, диаметра (а соответственно и площади поперечного сечения) катушки, индуктивность будет увеличиваться. А при увеличении длины – уменьшаться. Таким образом, витки на катушке стоит располагать как можно ближе друг к другу, поскольку это приведет к уменьшению длины катушки.

С устройством катушки индуктивности мы разобрались, пришло время рассмотреть физические процессы, которые протекают в этом элементе при прохождении электрического тока. Для этого мы рассмотрим две схемы – в одной будем пропускать через катушку постоянный ток, а в другой -переменный 🙂

Итак, в первую очередь, давайте разберемся, что же происходит в самой катушке при протекании тока. Если ток не изменяет своей величины, то катушка не оказывает на него никакого влияния. Значит ли это, что в случае постоянного тока использование катушек индуктивности и рассматривать не стоит? А вот и нет 🙂 Ведь постоянный ток можно включать/выключать, и как раз в моменты переключения и происходит все самое интересное. Давайте рассмотрим цепь:

Резистор выполняет в данном случае роль нагрузки, на его месте могла бы быть, к примеру, лампа. Помимо резистора и индуктивности в цепь включены источник постоянного тока и переключатель, с помощью которого мы будем замыкать и размыкать цепь.

Что же произойдет в тот момент когда мы замкнем выключатель?

Ток через катушку начнет изменяться, поскольку в предыдущий момент времени он был равен 0. Изменение тока приведет к изменению магнитного потока внутри катушки, что, в свою очередь, вызовет возникновение ЭДС (электродвижущей силы) самоиндукции, которую можно выразить следующим образом:

Возникновение ЭДС приведет к появлению индукционного тока в катушке, который будет протекать в направлении, противоположном направлению тока источника питания. Таким образом, ЭДС самоиндукции будет препятствовать протеканию тока через катушку (индукционный ток будет компенсировать ток цепи из-за того, что их направления противоположны). А это значит, что в начальный момент времени (непосредственно после замыкания выключателя) ток через катушку будет равен 0. В этот момент времени ЭДС самоиндукции максимальна. А что же произойдет дальше? Поскольку величина ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения тока, то она будет постепенно ослабевать, а ток, соответственно, наоборот будет возрастать. Давайте посмотрим на графики, иллюстрирующие то, что мы обсудили:

На первом графике мы видим входное напряжение цепи – изначально цепь разомкнута, а при замыкании переключателя появляется постоянное значение. На втором графике мы видим изменение величины тока через катушку индуктивности. Непосредственно после замыкания ключа ток отсутствует из-за возникновения ЭДС самоиндукции, а затем начинает плавно возрастать. Напряжения на катушке наоборот в начальный момент времени максимально, а затем уменьшается. График напряжения на нагрузке будет по форме (но не по величине) совпадать с графиком тока через катушку (поскольку при последовательном соединении ток, протекающий через разные элементы цепи одинаковый). Таким образом, если в качестве нагрузки мы будем использовать лампу, то они загорится не сразу после замыкания переключателя, а с небольшой задержкой (в соответствии с графиком тока).

Аналогичный переходный процесс в цепи будет наблюдаться и при размыкании ключа. В катушке индуктивности возникнет ЭДС самоиндукции, но индукционный ток в случае размыкания будет направлен в том же самом направлении, что и ток в цепи, а не в противоположном, поэтому запасенная энергия катушки индуктивности пойдет на поддержание тока в цепи:

После размыкания ключа возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует уменьшению тока через катушку, поэтому ток достигает нулевого значения не сразу, а по истечении некоторого времени. Напряжение же в катушке по форме идентично случаю замыкания переключателя, но противоположно по знаку. Это связано с тем, что изменение тока, а соответственно и ЭДС самоиндукции в первом и втором случаях противоположны по знаку (в первом случае ток возрастает, а во втором убывает).

Кстати, я упомянул, что величина ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока, так вот, коэффициентом пропорциональности является ни что иное как индуктивность катушки:

На этом мы заканчиваем с катушками индуктивности в цепях постоянного тока и переходим к цепям переменного тока .

Рассмотрим цепь, в которой на катушку индуктивности подается переменный ток:

Давайте посмотрим на зависимости тока и ЭДС самоиндукции от времени, а затем уже разберемся, почему они выглядят именно так:

Как мы уже выяснили ЭДС самоиндукции у нас прямо пропорциональна и противоположна по знаку скорости изменения тока:

Собственно, график нам и демонстрирует эту зависимость 🙂 Смотрите сами – между точками 1 и 2 ток у нас изменяется, причем чем ближе к точке 2, тем изменения меньше, а в точке 2 в течении какого-то небольшого промежутка времени ток и вовсе не изменяет своего значения. Соответственно скорость изменения тока максимальна в точке 1 и плавно уменьшается при приближении к точке 2, а в точке 2 равна 0, что мы и видим на графике ЭДС самоиндукции . Причем на всем промежутке 1-2 ток возрастает, а значит скорость его изменения положительна, в связи с этим на ЭДС на всем этом промежутке напротив принимает отрицательные значения.

Аналогично между точками 2 и 3 – ток уменьшается – скорость изменения тока отрицательная и увеличивается – ЭДС самоиндукции увеличивается и положительна. Не буду расписывать остальные участки графика – там все процессы протекают по такому же принципу 🙂

Кроме того, на графике можно заметить очень важный момент – при увеличении тока (участки 1-2 и 3-4) ЭДС самоиндукции и ток имеют разные знаки (участок 1-2: , title=”Rendered by QuickLaTeX.com”>, участок 3-4: title=”Rendered by QuickLaTeX.com”>, ). Таким образом, ЭДС самоиндукции препятствует возрастанию тока (индукционные токи направлены “навстречу” току источника). А на участках 2-3 и 4-5 все наоборот – ток убывает, а ЭДС препятствует убыванию тока (поскольку индукционные токи будут направлены в ту же сторону, что и ток источника и будут частично компенсировать уменьшение тока). И в итоге мы приходим к очень интересному факту – катушка индуктивности оказывает сопротивление переменному току, протекающему по цепи. А значит она имеет сопротивление, которое называется индуктивным или реактивным и вычисляется следующим образом:

Где – круговая частота: . – это .

Таким образом, чем больше частота тока, тем большее сопротивление будет ему оказывать катушка индуктивности. А если ток постоянный ( = 0), то реактивное сопротивление катушки равно 0, соответственно, она не оказывает влияния на протекающий ток.

Давайте вернемся к нашим графикам, которые мы построили для случая использования катушки индуктивности в цепи переменного тока. Мы определили ЭДС самоиндукции катушки, но каким же будет напряжение ? Здесь все на самом деле просто 🙂 По 2-му закону Кирхгофа:

А следовательно:

Построим на одном графике зависимости тока и напряжения в цепи от времени:

Как видите ток и напряжение сдвинуты по фазе () друг относительно друга, и это является одним из важнейших свойств цепей переменного тока, в которых используется катушка индуктивности:

При включении катушки индуктивности в цепь переменного тока в цепи появляется сдвиг фаз между напряжением и током, при этом ток отстает по фазе от напряжения на четверть периода.

Вот и с включением катушки в цепь переменного тока мы разобрались 🙂

На этом, пожалуй, закончим сегодняшнюю статью, она получилась уже довольно объемной, поэтому дальнейший разговор о катушках индуктивности мы будем вести в следующий раз. Так что до скорых встреч, будем рады видеть вас на нашем сайте!

Движущийся электрический заряд создает в окружающем пространстве магнитное поле. Поток электронов, проходящих по проводнику создают магнитное поле вокруг проводника. Если металлический провод намотать кольцами на какой-нибудь стержень, то получится катушка. Оказывается магнитное поле, создаваемое такой катушкой, обладает интересными и, самое главное, полезными свойствами.

Почему возникает магнитное поле

Магнитные свойства некоторых веществ, позволяющие притягивать металлические предметы, были известны с давних времен. Но к пониманию сути этого явления удалось приблизиться только в начале XIX века. По аналогии с электрическими зарядами, были попытки объяснить магнитные эффекты с помощью неких магнитных зарядов (диполей). В 1820 г. датский физик Ханс Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка отклоняется при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около нее.

Тогда же французский исследователь Андре Ампер установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, вызывают взаимное притяжение при пропускании через них электрического тока в одном направлении и отталкивание, если токи направлены в разные стороны.

Рис. 1. Опыт Ампера с проводами с током. Стрелка компаса вблизи провода с током

На основании этих наблюдений Ампер пришел к выводу, что взаимодействие тока со стрелкой, притяжение (и отталкивание) проводов и постоянных магнитов между собой можно объяснить, если предположить, что магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами. Дополнительно Ампер выдвинул смелую гипотезу, согласно которой внутри вещества существуют незатухающие молекулярные токи, которые и являются причиной возникновения постоянного магнитного поля. Тогда все магнитные явления можно объяснить взаимодействием движущихся электрических зарядов, и никаких особенных магнитных зарядов не существует.

Математическую модель (теорию), с помощью которой стало возможным рассчитывать величину магнитного поля и силу взаимодействия, разработал английский физик Джеймс Максвелл. Из уравнений Максвелла, объединивших электрические и магнитные явления, следовало, что:

• Магнитное поле возникает только в результате движения электрических зарядов;
• Постоянное магнитное поле существует у природных магнитных тел, но и в этом случае причиной возникновения поля является непрерывное движение молекулярных токов (вихрей) в массе вещества;
• Магнитное поле можно создать еще с помощью переменного электрического поля, но это тема будет рассмотрена в следующих наших статьях.

Магнитное поле катушки с током

Металлический провод, намотанный кольцами на любой цилиндрический стержень (деревянный, пластмассовый и т.п.) — это и есть электромагнитная катушка. Провод должен быть изолированным, то есть покрыт каким-либо изолятором (лаком или пластиковой оплеткой) во избежание замыкания соседних витков. В результате протекания тока магнитные поля всех витков складываются и получается, что суммарное магнитное поле катушки с током идентично (полностью похоже) магнитному полю постоянного магнита.

Рис. 2. Магнитное поле катушки и постоянного магнита.

Внутри катушки магнитное поле будет однородное, как в постоянном магните. Снаружи магнитные линии поля катушки с током можно обнаружить с помощью мелких металлических опилок. Линии магнитного поля замкнуты. По аналогии с магнитной стрелкой компаса, катушка с током имеет два полюса — южный и северный. Силовые линии выходят из северного полюса и заканчиваются в южном.

Для катушек с током существуют дополнительные, отдельные названия, которые используют в зависимости от области применения:

• Катушка индуктивности, или просто — индуктивность . Термин используется в радиотехнике;
• Дроссель (drossel — регулятор, ограничитель). Используется в электротехнике;
• Соленоид . Это составное слово происходит от двух греческих слов: solen — канал, труба и eidos — подобный).2*S}\over l_к} $$

  N — число витков катушки;

  S — площадь поперечного сечения катушки;

  l к — длина катушки;

  μ — магнитная проницаемость материала сердечника — справочная величина. Сердечник представляет собой металлический стержень, помещенный внутрь катушки. Он позволяет значительно увеличивать величину магнитного поля.

  Что мы узнали?

  Итак, мы узнали, что магнитное поле возникает только в результате движения электрических зарядов. Магнитное поле катушки с током похоже на магнитное поле постоянного магнита. Энергию магнитного поля катушки можно рассчитать, зная силу тока I и индуктивность L.

  Тест по теме

  Оценка доклада

  Средняя оценка: 4 . Всего получено оценок: 52.

  Презентация на тему: Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение

  1

  Первый слайд презентации: Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение

  Изображение слайда

  2

  Слайд 2: Катушка

  Изображение слайда

  3

  Слайд 3

  N S I

  Изображение слайда

  4

  Слайд 4

  I I

  Изображение слайда

  5

  Слайд 5: Сила магнитного поля катушки

  Сила магнитного поля катушки увеличивается : С увеличением числа витков. С увеличением силы тока. I I Больше Меньше

  Изображение слайда

  6

  Слайд 6: Электромагнит

  Доминик Франсуа Жан Араго 1786 — 1853 Полая стеклянная трубка Металлический стержень Медная проволока Сердечник

  Изображение слайда

  7

  Слайд 7: Использование электромагнитов

  Электромагниты используются: Для грузоподъемных машин В бытовой технике Для кодовых замков В промышленности

  Изображение слайда

  8

  Слайд 8

  3 2 1 6 5 4 9 8 7 3 2 1 6 5 4 9 8 7

  Изображение слайда

  9

  Слайд 9

  Изображение слайда

  10

  Слайд 10

  Изображение слайда

  11

  Последний слайд презентации: Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение: Основные выводы

  Электричество и магнетизм не существуют одно без другого и во многом очень схожи. Электромагнит — это катушка с током с сердечником внутри неё. Электромагниты широко применяются в технике в различных областях.

  Изображение слайда

  Магнитное поле внутри разомкнутой катушки

  Магнитное поле

  Электричество и магнетизм

  Магнитное поле внутри разомкнутой катушки

  Практическая деятельность для 14-16

  Класс практический

  Использование компаса и железных опилок для исследования картины поля.

  Аппаратура и материалы

  На каждую студенческую группу

  Примечания по охране труда и технике безопасности

  Предупредите класс, чтобы пальцы не попадали в глаза. Железные опилки, случайно попавшие в глаза, могут повредить роговицу.

  Прочтите наше стандартное руководство по охране труда

  Процедура

  1. Вы собираетесь исследовать магнитное поле внутри катушки с токоведущим проводом.Намотайте на деревянный цилиндр пять разнесенных витков.
  2. Сдвиньте эту катушку с цилиндра в пазы на плате.
  3. Подключите концы к клеммам постоянного тока источника питания.
  4. Присыпьте доску железной опилкой, уделяя особое внимание области внутри змеевика.
  5. Включите ток, постучите по доске и наблюдайте за шаблоном.
  6. Используйте компас для черчения, чтобы исследовать направление поля внутри и снаружи катушки. Узнайте, что произойдет, если ток поменять местами.

  Учебные заметки

  Это шанс исследовать поле по центру катушки и вокруг некоторых катушек, когда они входят в карту. Студенты должны видеть, что поле внутри катушки направлено противоположно полю вне катушки.

  Этот эксперимент прошел испытания на безопасность в июле 2007 г.

  Магнитное поле катушки

  Магнитное поле катушки

  Лабораторная работа

  После того, как мы получили резистор провода катушки и знаем доступные резисторы, давайте соберем схему, показанную на рисунке 5.Клип-шнуры используются для подключения к клеммам одного резистора комплекта, который будет заменен для проведения различных измерений.

  Предположим, что магнитное поле, создаваемое катушкой, будет наложено на магнитное поле Земли, поэтому, чтобы легко узнать вклад каждого из них в результирующее магнитное поле, необходимо расположить катушку. Следовательно, нам нужно найти направление магнитного поля Земли с помощью компаса, а затем расположить ось катушки перпендикулярно полю, как на рисунке 6.

  Рисунок 6. Расположение оси катушки относительно магнитного поля Земли

  
  Катушки и магниты Начнем с резистора 22. После подключения блока питания замыкаем тумблер (положение ON). При прохождении тока внутри катушки создается значительное магнитное поле.
  • Переместите компас ближе к одной из сторон катушки и определите по отклонению, какой тип полюса появляется на этой поверхности катушки.Убедитесь, что другая сторона действует как противоположный полюс.
  • Разомкните выключатель (ВЫКЛ.). Изменяет направление тока, переключая соединения фидерной цепи. Включите выключатель и посмотрите, снова используя циркуль, что теперь происходит на гранях катушки.
  Вспомните, что мы видели в разделе «Предпосылки», когда говорили о сходстве между магнитом и магнитным полем катушки.
  

  Лицензировано в соответствии с некоммерческой лицензией Creative Commons Attribution 3.0 Лицензия

  ЛАБОРАТОРИИ СМЕШАННОГО ОБУЧЕНИЯ. ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

  Магнитные системы с импульсной катушкой для приложения полей 10-30 Тесла к целям сантиметрового масштаба на установке Sandia Z (Журнальная статья)

  Рованг, Дин К., Лампа, Дерек К., Кунео, Майкл Эдвард, Оуэн, Альберт, Маккенни, Джон, Джонсон, Дрю, Радович, Шон, Кэй, Рональд Дж., Макбрайд, Райан Д., Александр, К. Скотт, Трепет, Томас Джеймс, Слуц, Стивен А., Сефков, Адам Б., Хейл, Томас А., Джонс, Питер Эндрю, Арго, Джеффри В., Далтон, Девон, Робертсон, Графтон Кинканнон, Вайсман, Эдуардо Марио, Синарс, Дэниел Брайан, Мейснер, Джоэл, Милхаус, Марк, Нгуен , Доан и Мильке, Чак. Магнитные системы с импульсной катушкой для приложения полей 10-30 Тесла к целям сантиметрового масштаба на заводе Sandia Z. США: Н. П., 2014. Интернет. DOI: 10,1063 / 1,4

  6.

  Рованг, Дин С., Лампа, Дерек К., Кунео, Майкл Эдвард, Оуэн, Альберт, Маккенни, Джон, Джонсон, Дрю, Радович, Шон, Кей, Рональд Дж., Макбрайд, Райан Д., Александр, К. Скотт, Трепет, Томас Джеймс, Слуц, Стивен А., Сефков, Адам Б., Хейл, Томас А., Джонс, Питер Эндрю, Арго, Джеффри В., Далтон, Девон, Робертсон, Графтон Кинканнон, Вайсман, Эдуардо Марио, Синарс, Дэниел Брайан, Мейснер, Джоэл, Милхаус, Марк, Нгуен, Доан и Мильке, Чак. Магнитные системы с импульсной катушкой для приложения полей 10-30 Тесла к целям сантиметрового масштаба на заводе Sandia Z.Соединенные Штаты. DOI: https: //doi.org/10.1063/1.4

  6

  Рованг, Дин К., Лампа, Дерек К., Кунео, Майкл Эдвард, Оуэн, Альберт, Маккенни, Джон, Джонсон, Дрю, Радович, Шон, Кэй, Рональд Дж., Макбрайд, Райан Д., Александр, К. Скотт, Трепет, Томас Джеймс, Слуц, Стивен А., Сефков, Адам Б., Хейл, Томас А., Джонс, Питер Эндрю, Арго, Джеффри В., Далтон, Девон, Робертсон, Графтон Кинканнон, Вайсман, Эдуардо Марио, Синарс, Дэниел Брайан , Мейснер, Джоэл, Милхаус, Марк, Нгуен, Доан и Мильке, Чак.Чт. «Магнитные системы с импульсной катушкой для приложения полей 10-30 Тесла к целям сантиметрового масштаба на заводе Sandia Z». Соединенные Штаты. DOI: https: //doi.org/10.1063/1.4

  6. https://www.osti.gov/servlets/purl/1183103.

  @article {osti_1183103,
title = {Магнитные системы с импульсной катушкой для приложения полей 10-30 Тесла к целям сантиметрового масштаба на установке Z Sandia},
author = {Рованг, Дин К.и Лампа, Дерек К. и Кунео, Майкл Эдвард и Оуэн, Альберт и Маккенни, Джон и Джонсон, Дрю и Радович, Шон и Кей, Рональд Дж. и Макбрайд, Райан Д. и Александр, К. Скотт и Трепет, Томас Джеймс и Слуц, Стивен А. и Сефков, Адам Б. и Хейлл, Томас А. и Джонс, Питер Эндрю и Арго, Джеффри В. и Далтон, Девон и Робертсон, Графтон Кинканнон и Вайсман, Эдуардо Марио и Синарс, Дэниел Брайан и Мейснер, Джоэл и Милхаус, Марк и Нгуен, Доан и Мильке, Чак}, ​​
abstractNote = {Мы успешно интегрировали возможность применения однородных сильных магнитных полей (10–30 Тл) в эксперименты с высокой плотностью энергии на установке Z.В этой системе используется конденсаторная батарея емкостью 8 мФ и 15 кВ для управления многооборотными многослойными электромагнитами с большим отверстием (диаметром 5 см) и высокой индуктивностью (1–3 мГн), которые медленно намагничивают проводящие цели, используемые на Z в течение нескольких миллисекунд (время до максимума поля 2–7 мс). Эта система была введена в эксплуатацию в феврале 2013 года и успешно использовалась для намагничивания более 30 экспериментов до 10 Тл, которые дали захватывающие и удивительные физические результаты. В этих экспериментах использовалась топология разделенного магнита для поддержания диагностической прямой видимости цели.Затем мы описываем конструкцию, интеграцию и работу системы импульсных катушек в сложных и суровых условиях Z-машины. Мы также описываем наши планы и проекты для достижения полей до 20 Тл с конфигурацией разделенного магнита с уменьшенным зазором и до 30 Тл с конфигурацией сплошного магнита в соответствии с концепцией инерционного синтеза намагниченных лайнеров.},
doi = {10.1063 / 1.4

  6},
journal = {Обзор научных инструментов},
число = 12,
объем = 85,
place = {United States},
год = {2014},
месяц = ​​{12}
}

  Общая физика II

  Глава 31
  Вопросы 2, 5, 7, 9, 12, 14, 15
  Проблемы: 1, 3, 6, 7, 17, 20

  ---

  Q2 Петля из проволоки помещена в однородный магнитный поле.При какой ориентации витка магнитный поток максимален? Для какой ориентации поток равен нулю?

  Магнитный поток максимален, когда магнитное поле B перпендикулярно петле провода, как на схеме здесь:

  Магнитный поток минимален – фактически равен нулю – когда магнитное поле B параллельно проволочной петле, как на схеме здесь:

  Для наглядности показалось, что лучше нарисовать это почти параллельно, а не точно параллельно.

  Q5 Полоса на рис. 31.24 перемещается по рельсам к вправо со скоростью v и однородным постоянным магнитным полем направлен за пределы страницы. Почему индуцированный ток по часовой стрелке ? Если бы штанга двигалась влево, в каком бы направлении индуцированный ток?

  Существует магнитная сила из-за движения через магнитный поле.

  F _mag = q v х В

  дает вектор вниз для положительного заряда (и вектор вверх для отрицательного заряда).Ток идет в направлении движение положительного заряда.

  , значит, ток течет по движущейся полосе, влево по нижнему проводнику, вверх через резистор, и до справа по верхнему проводнику. Это по часовой стрелке протекать по всему контуру.

  При изменении направления скорости

  что меняет все.Теперь вектор v x B указывает вверх. Это направление магнитной силы на положительном заряжать.

  , это означает, что ток течет вверх по движущемуся проводнику. Чтобы замкнуть цепь, ток должен течь слева вверху. провод, через резистор вниз и вправо в нижнем проводе. Это означает поворот против часовой стрелки. ток по всей цепи.

  Q7 Большая круглая петля из проволоки лежит в горизонтальной плоскости. самолет. Через петлю пропускают стержневой магнит. Если ось магнита остается горизонтальным при падении, опишите наведенную в петле ЭДС. Как изменяется установка, если ось магнита остается вертикальной как падает?

  Когда стержень магнит падает горизонтально – ну падает вертикально, но лежит в горизонтальном положении – во всяком случае, когда он падает, как показано здесь, поток через горизонтальную катушку будет небольшим.Поток мал, потому что магнитное поле почти параллельно магнитному полю. катушка и направление магнитного поля таковы, что если учесть компонентов, перпендикулярных катушке, примерно столько же положительных поток как отрицательный поток. Таким образом, если поток небольшой, изменение потока будет также быть маленьким.

  Однако, когда магнит падает, как показано здесь, с его ось вертикальна, поток через катушку намного больше – поэтому изменение потока также будет больше.

  Q9 Будет уронить магнит на длинную медную трубку произвести ток в трубке?

  Да, это интересная и полезная демонстрация.

  Q12 Что происходит, когда скорость, с которой катушка генератора вращается увеличивается?

  Увеличение скорости увеличивает скорость, с которой поток изменяется так, что увеличивает ЭДС или напряжение!

  Q14 Когда переключатель на Рисунке 31.25а закрыта, а ток устанавливается в катушке, а металлическая кольцевая пружина направлена ​​вверх, как показано на рисунке. 31.25b. Почему?

  Изменяющийся ток в катушке вызывает изменение магнитного поле в железном сердечнике. Это изменяющееся магнитное поле вызывает индуцированное напряжение и ток в металлическом кольце. По закону Ленца это индуцированное напряжение или ток создаст магнитное поле в направлении, противоположном магнитное поле в железном сердечнике.Эти два поля отталкивают друг друга!

  Q15 Предположим, батарея, показанная на Рисунке 31.25a, ​​заменена. источником переменного тока, и переключатель удерживается замкнутым. Если удерживать, металл кольцо в верхней части соленоида нагревается. Почему ?

  В приведенном выше объяснении просто сказано «изменение тока». и «изменяющееся магнитное поле». Они могут измениться, потому что они переходят от нуля к некоторому значению или могут меняться, потому что они являются частью цепи переменного тока.Результат точно тоже самое.

  Если продолжать удерживать кольцо в чередующемся (меняющемся) магнитное поле, в нем по-прежнему будет ток. Токи производят нагревать!

  ---

  31,1 Прямоугольная катушка на 50 витков размером 5,0 см x 10,0 см опускается из позиции, где B = 0, в новую позицию, где B = 0,50 Тл и направлено перпендикулярно плоскости катушки.Рассчитать результирующая средняя ЭДС, индуцированная в катушке, если происходит смещение через 0,25 с.

  = – N d / dt = – Н / т

  = _f – _и

  _и = 0

  _f = [0,5 т] [(0,05 м) (0,10 м)] = 0,0025 т-м ²

  = _f – _и = 0.0025 Т-м ²

  = – N d / dt = – Н / т = – (50) (0,0025 / 0,25) В

  = – 0,50 В

  31,3 Мощный электромагнит имеет поле 1,6 Тл и поперечное сечение площадью 0,20 м ² . Если разместить катушку на 200 витков и полное сопротивление 20 Ом вокруг электромагнита, а затем включите отключение питания электромагнита за 20 мс (0.020 с), какой ток наводится в катушке?

  = – N d / dt = – Н / т

  = _f – _и

  _f = 0

  _и = [1,6 т] [0,20 м ² ] = 0,32 т / м ²

  = _f – _и = – 0,32 Т-м ²

  = – N d / dt = – Н / т = (200) (0.32 / 0,020) В

  = 3200 В

  31,6 Плотно намотанная круглая катушка имеет 50 витков радиуса каждого 0,10 м. Однородное магнитное поле включается в направлении, перпендикулярном к плоскости катушек. Если поле линейно возрастает от 0 T до 0,6 Тл за 0,20 с, какая ЭДС индуцируется в катушке?

  А = р ²

  А = (0.10 м) ² = 0,0314 м ²

  = A B

  с

  cos = cos 0 = 1

  _и = 0

  _f = (0,0314 м ² ) (0,6 Тл) = 0,01885 Т-м ²

  = _f – _и = – 0,01885 Т-м ²

  = – N d / dt = – Н / т = (50) (0.01885 / 0,020) В

  = 47 В

  31,7 Круглая катушка на 30 витков радиусом 4 см и сопротивлением 1 Ом помещается в магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости катушки. Величина магнитного поля меняется во времени в зависимости от к выражению B = 0,010 t + 0,040 t ² , где t в секундах и B находится в тесле. Рассчитать наведенную ЭДС в катушке при t = 5,0 с.

  B = 0,010 т + 0,040 т ²

  дБ / dt = 0,010 + (0,040) (2 т)

  При t = 5,0 с

  дБ / dt] _{(5,0 с)} = 0,010 + (0,040) (2 x 5)

  дБ / dt] _{(5,0 с)} = 0,010 + (0,040) (10)

  дБ / dt] _{(5,0 с)} = 0,010 + 0,40 = 0,41

  А = р ²

  А = (0,04 м) ² = 0.005 м ²

  = A B

  , поскольку cos = cos 0 = 1

  = – N d / dt = – N d (AB) / dt = – NA дБ / dt

  = – (30) (0,005) (0,41) V = 0,062 В

  Хотя это все, что требует учебник, поскольку мы также знать сопротивление катушки, мы могли бы также увеличить это просто бит и запросить ток , индуцированный в катушке.

  В = ИК

  I = V / R

  I = 0,062 В / 1

  I = 0,062 А

  31,17 Летит самолет Boeing 747 с размахом крыла 60,0 м. по горизонтали со скоростью 300 м / с над Фениксом, где направление магнитного поля Земли составляет 58 ^o от горизонтали. Если намагниченность магнитного поля 50,0 Тл (microTeslas), какое напряжение возникает между законцовками крыла?

  Самолет Боинг 747 с размахом крыла 60.0 м летит по горизонтали со скоростью 300 м / с над Фениксом, где направление магнитного поля Земли составляет 58 ^o от горизонтали. Если величина магнитного поля 50,0 Тл (microTeslas), какое напряжение возникает между законцовками крыла?

  Для случая v перпендикулярно B , мы найдено

  = – B l v

  Но это компонент B , который перпендикулярен на v (или наоборот!), что важно, поэтому более общий форма этого уравнения действительно

  = – B l v sin

  где угол между B и v

  = – B l v sin

  = – B l v sin 58 ^o

  = – (50 x 10 ^{– 6} ) (60) (300) (0.790) В

  = – 0,711 В

  31.20 На рисунке P31.20 стержневой магнит перемещается к петле. Является ли V _a – V _b положительным, отрицательным или нулевым?

  С чем нам работать? Закон Ленца говорит нам, что индуцированный ток будет пытаться вернуть поток к тому, что он было до изменения (“status quo ante”).

  Изначально, когда магнит находится далеко, поток через петля нулевая.

  По мере того, как магнит перемещается в катушку, магнитный поток увеличивается. В каком направлении находится магнитное поле?

  Магнитное поле направлено от ортогонального полюса N к выносной столб S . На этом этапе может быть немного проще перерисовать магнитное поле как единый вектор.

  Теперь мы заменили без флюса на флюс из-за магнитного поля, указывающего на экран « назад ».Согласно закону Ленца индуцированное магнитное поле будет противодействовать это изменение.

  «Индуцированное магнитное поле» – магнитное поле. поле, вызванное индуцированным током .

  Следовательно, индуцированный ток в контуре должен быть по часовой стрелке , когда мы смотрим на это. Это означает, что ток в остальная часть схемы должна быть такой, как показано стрелками на рисунке выше.

  Все это означает, что через резистор протекает ток. R от а до б . Для этого необходимо, чтобы напряжение на a было выше. чем напряжение на b.

  V _a > V _b

  Индуцированная ЭДС и магнитный поток – College Physics

  Цели обучения

  • Рассчитайте поток однородного магнитного поля через петлю произвольной ориентации.
  • Опишите методы создания электродвижущей силы (ЭДС) с помощью магнитного поля или магнита и проволочной петли.

  Аппарат, использованный Фарадеем для демонстрации того, что магнитные поля могут создавать токи, показан на (Рисунок). Когда переключатель замкнут, в катушке в верхней части железного кольца создается магнитное поле, которое передается катушке в нижней части кольца. Гальванометр используется для обнаружения любого тока, наведенного в катушке внизу. Было обнаружено, что каждый раз, когда переключатель замыкается, гальванометр обнаруживает ток в одном направлении в катушке внизу.(Вы также можете наблюдать это в физической лаборатории.) Каждый раз, когда переключатель открывается, гальванометр обнаруживает ток в противоположном направлении. Интересно, что если переключатель остается замкнутым или разомкнутым в течение некоторого времени, через гальванометр нет тока. Замыкание и размыкание переключателя индуцирует ток. Это изменение в магнитном поле, которое создает ток. Более основным, чем текущий ток, является ЭДС , которая его вызывает. Ток является результатом ЭДС , индуцированной изменяющимся магнитным полем , независимо от того, есть ли путь для протекания тока.

  Аппарат Фарадея для демонстрации того, что магнитное поле может производить ток. Изменение поля, создаваемого верхней катушкой, вызывает ЭДС и, следовательно, ток в нижней катушке. Когда переключатель разомкнут и замкнут, гальванометр регистрирует токи в противоположных направлениях. Когда переключатель остается замкнутым или разомкнутым, через гальванометр не течет ток.

  Эксперимент, который легко выполняется и часто проводится в физических лабораториях, показан на (Рисунок).ЭДС индуцируется в катушке, когда стержневой магнит вставляется и выходит из нее. ЭДС противоположных знаков создаются движением в противоположных направлениях, и ЭДС также меняются на противоположные за счет изменения полюсов. Те же результаты будут получены, если перемещать катушку, а не магнит – важно относительное движение. Чем быстрее движение, тем больше ЭДС, и когда магнит неподвижен относительно катушки, ЭДС отсутствует.

  Движение магнита относительно катушки создает ЭДС, как показано на рисунке.Такие же ЭДС возникают при перемещении катушки относительно магнита. Чем больше скорость, тем больше величина ЭДС, а при отсутствии движения ЭДС равна нулю.

  Метод индукции ЭДС, используемый в большинстве электрических генераторов, показан на (Рисунок). Катушка вращается в магнитном поле, создавая ЭДС переменного тока, которая зависит от скорости вращения и других факторов, которые будут исследованы в следующих разделах. Обратите внимание, что генератор очень похож по конструкции на двигатель (другая симметрия).

  При вращении катушки в магнитном поле возникает ЭДС. Это основная конструкция генератора, в котором работа, выполняемая по вращению катушки, преобразуется в электрическую энергию. Обратите внимание, что генератор очень похож по конструкции на двигатель.

  Итак, мы видим, что изменение величины или направления магнитного поля вызывает ЭДС. Эксперименты показали, что существует критическая величина, называемая магнитным потоком, равная

  .

  , где – напряженность магнитного поля над областью под углом к ​​перпендикуляру к области, как показано на (Рисунок). Любое изменение магнитного потока вызывает ЭДС. Этот процесс определяется как электромагнитная индукция. Единицы магнитного потока ар. Как видно на (Рисунок), _⊥ , который является составляющей , перпендикулярной области . Таким образом, магнитный поток является произведением площади и составляющей магнитного поля, перпендикулярной ей.

  Магнитный поток связан с магнитным полем и площадью, на которой он существует. Поток связан с индукцией; любое изменение вызывает ЭДС.

  Вся индукция, включая приведенные до сих пор примеры, возникает из-за некоторого изменения магнитного потока . Например, Фарадей изменил и, следовательно, при размыкании и замыкании переключателя в своем устройстве (показано на (Рисунок)). Это также верно для стержневого магнита и катушки, показанных на (Рисунок). При вращении катушки генератора угол и, следовательно, изменяется. Насколько велика ЭДС и какое направление она принимает, зависит от изменения в и от того, как быстро это изменение будет выполнено, как будет рассмотрено в следующем разделе.

  Концептуальные вопросы

  Каким образом многопетлевые катушки и железное кольцо в версии аппарата Фарадея, показанной на (Рисунок), улучшают наблюдение наведенной ЭДС?

  Когда магнит вставляется в катушку, как показано на (Рисунок) (а), в каком направлении катушка воздействует на магнит? Нарисуйте диаграмму, показывающую направление тока, индуцируемого в катушке, и создаваемое ею магнитное поле, чтобы обосновать вашу реакцию. Как величина силы зависит от сопротивления гальванометра?

  Объясните, как магнитный поток может быть равен нулю, когда магнитное поле не равно нулю.

  Индуцируется ли ЭДС в катушке (рисунок), когда она растягивается? Если да, укажите причину и укажите направление индуцированного тока.

  Круглая катушка с проволокой натянута в магнитном поле.

  Задачи и упражнения

  Какое значение магнитного потока в катушке 2 (рисунок) из-за катушки 1?

  (a) Плоскости двух катушек перпендикулярны. (б) Проволока перпендикулярна плоскости катушки.

  Какое значение имеет магнитный поток, проходящий через катушку на (Рисунок) (b) из-за провода?

  Глоссарий

  магнитный поток

  – величина магнитного поля, проходящего через конкретную область, вычисляемая по формуле, где – напряженность магнитного поля в области под углом к ​​перпендикуляру к области

  .

  электромагнитная индукция

  Процесс наведения ЭДС (напряжения) с изменением магнитного потока

  Магнитное поле набирает обороты

  13 марта 2020 г. & bullet; Physics 13, 37

  Моделирование показывает, что относительно простой лазерный метод может производить фемтосекундные импульсы магнитного поля, которые в настоящее время доступны только в нескольких крупных лабораториях.

  theasis / Getty Images

  Поле мечты. Исследователи хотели бы получить импульсы сильного магнитного поля фемтосекундной длительности, не отправляясь на крупный объект, но получить их с помощью катушки с проволокой невозможно. Моделирование показывает, что новая лазерная техника может помочь с использованием самых разнообразных лазеров. Поле мечты. Исследователи хотели бы получить импульсы сильного магнитного поля фемтосекундной длительности, не отправляясь на крупный объект, но получить их с помощью катушки с проволокой невозможно.Моделирование показывает, что новая лазерная техника может сделать три … Показать больше

  theasis / Getty Images

  Поле мечты. Исследователи хотели бы получить импульсы сильного магнитного поля фемтосекундной длительности, не отправляясь на крупный объект, но получить их с помощью катушки с проволокой невозможно. Моделирование показывает, что новая лазерная техника может помочь с использованием самых разнообразных лазеров.

  Источники магнитного поля практически не менялись в течение десятилетий, но их использование в фундаментальных физических исследованиях и повседневных технологиях резко возросло.Обычная катушка с проводом или соленоид не может нарастить поле достаточно быстро, чтобы изучить самые быстрые магнитные процессы, поэтому исследователи должны обращаться в специализированные учреждения. Но теперь команда предложила лабораторную технику, которая могла бы создать поле более 8 тесла, которое включается за 50 фемтосекунд. Идея состоит в том, чтобы использовать пару лазерных импульсов, чтобы заставить электроны в плазме вращаться по орбите, как будто в мотке проволоки, но без проволоки. Новый метод может быть полезен в широком спектре научных областей, включая квантовые технологии, атомную и молекулярную физику и хранение данных.

  Магнитные хранилища данных десятилетиями преобладали в устройствах, от магнитных лент до ноутбуков. Оптическая обработка информации, при которой световые сигналы заменяют электрические токи в традиционной электронике, представляет собой разрабатываемую технологию, которая также основана на быстром переключении магнитных полей (для управления быстрыми оптическими сигналами). Понимание фемтосекундной реакции материалов на магнитные поля поможет исследователям раздвинуть границы этих и других технологий.

  Чтобы изучить быстрый магнитный отклик материала, вам нужно быстро меняющееся поле.Обычный соленоид генерирует поле, когда ток проходит через его проволочную катушку, но поле может быть изменено только в микросекундном масштабе времени, слишком медленном для измерения фемтосекундных процессов. Вы могли бы создавать более сильные поля быстрее, отключив провод и используя лазер, чтобы напрямую толкать электроны в плазме вокруг петли. Предыдущие исследования, основанные на этом подходе, требовали лазерной интенсивности, которая возможна только в крупных центрах, таких как National Ignition Facility в Калифорнии.

  Теперь Пол Коркум и его коллеги из Оттавского университета и Национального исследовательского совета Канады теоретически показали, как повысить эффективность передачи энергии от лазера к электрону. Эта более высокая эффективность должна позволить производить большие и быстрые изменения магнитного поля с использованием гораздо более низкой интенсивности лазера, доступной в стандартных университетских исследовательских лабораториях.

  Чтобы отправить электроны по круговой траектории, предыдущие экспериментаторы направляли интенсивный лазерный луч «оптического вихря» в газ.Каждый фотон в таком пучке несет орбитальный угловой момент, который может быть доставлен электронам, оторванным от атомов в газе сильным электрическим полем лазера. Исследователи из Оттавы теоретически показывают, что эффективность значительно повышается за счет использования так называемого азимутального векторного лазерного луча. В моделируемом ими пучке силовые линии электрического поля образуют круги вокруг оси пучка, и поле наиболее интенсивно в кольцевой области. Этот луч отправляет электроны по орбите вокруг кольца, поэтому они создают магнитное поле в направлении луча.

  Этот метод включает в себя еще один важный компонент: второй лазерный луч, имеющий в два раза частоту первого, что необходимо для решения проблемы с одним лучом. Электрон, извлекаемый из атома осциллирующим лазерным полем, действует как масса, тянущаяся вперед и назад пружиной. Максимальное усилие пружины возникает в моменты, когда масса меняет направление и имеет нулевую скорость. Точно так же, когда электрическое поле находится на пике и, скорее всего, ионизирует атом, электрон имеет нулевую скорость и не может вносить вклад в круговой ток.Второе лазерное поле, добавленное к первому с соответствующей фазовой задержкой, изменяет синхронизацию и позволяет электрону двигаться.

  Моделирование, проведенное командой, показывает, что комбинация основного лазерного импульса длительностью 11,3 микроджоулей и импульса с удвоенной частотой 1,9 микроджоулей может включить поле 8 тесла за 50 фемтосекунд. Хотя эти энергии лазера достаточно умеренные, чтобы их можно было производить в типичных лазерных лабораториях, они могут разрушить образец, магнитные свойства которого измерялись. Самые сильные магнитные поля будут генерироваться в центре орбиты циркулирующих электронов, которая находится на линии распространения лазерных импульсов.Но исследователи отмечают в своей статье, что образец не обязательно должен быть так близко, потому что сильное поле будет распространяться на некоторое расстояние от плазмы.

  «Это развитие немного похоже на переход от обычных электромагнитов», который произошел, когда в экспериментах по ядерному магнитному резонансу (ЯМР) начали использовать сверхпроводящие соленоиды, – говорит Марк Фриман из Университета Альберты в Канаде, который изучает сверхбыстрые магнитные явления в нанометровом масштабе. Он предполагает, что так же, как сверхпроводящие магниты позволили МРТ развиваться из ЯМР, метод, предложенный Коркумом и его коллегами, может предложить аналогичный прогресс для понимания сверхбыстрых процессов.

  Это исследование опубликовано в журнале Physical Review X .

  –Анна Демминг

  Анна Демминг – внештатный научный писатель из Бристоля, Великобритания.

  ---

  Тематические области

  Статьи по теме

  Другие статьи

  Магнитные поля и индуктивность | Катушки индуктивности

  Всякий раз, когда электроны проходят через проводник, вокруг этого проводника возникает магнитное поле. Этот эффект называется электромагнетизм .

  Магнитные поля влияют на выравнивание электронов в атоме и могут вызывать физическую силу, развивающуюся между атомами в пространстве, точно так же, как электрические поля, развивающие силу между электрически заряженными частицами.Подобно электрическим полям, магнитные поля могут занимать совершенно пустое пространство и воздействовать на материю на расстоянии.

  Сила поля и поток поля

  Поля имеют две меры: поле силы и поле , поток . Поле Сила – это величина «толчка», которую поле оказывает на определенном расстоянии. Поле , поток – это общая величина или эффект поля в пространстве. Сила и поток поля примерно аналогичны напряжению («толкать») и току (потоку) через проводник, соответственно, хотя поток поля может существовать в полностью пустом пространстве (без движения частиц, таких как электроны), тогда как ток может иметь место только где есть свободные электроны, чтобы двигаться.

  Поток поля можно противодействовать в пространстве, так же как потоку электронов можно противодействовать сопротивлением. Величина потока поля, который будет развиваться в космосе, пропорциональна величине приложенной силы поля, деленной на величину сопротивления магнитному потоку. Подобно тому, как тип проводящего материала определяет удельное сопротивление этого проводника электрическому току, тип материала, занимающего пространство, через которое действует сила магнитного поля, диктует определенное сопротивление потоку магнитного поля.

  В то время как поток электрического поля между двумя проводниками позволяет накопить свободный заряд электронов внутри этих проводников, поток магнитного поля позволяет накопить определенную «инерцию» в потоке электронов через проводник, создающий поле.

  Более сильные магнитные поля с индукторами

  Катушки индуктивности – это компоненты, предназначенные для использования преимущества этого явления за счет формирования длины проводящего провода в форме катушки. Эта форма создает более сильное магнитное поле, чем то, что создается прямым проводом.Некоторые индукторы выполнены из проволоки, намотанной в самонесущей катушке.

  Другие оборачивают провод вокруг твердого материала сердечника определенного типа. Иногда сердечник индуктора будет прямым, а в других случаях он будет соединен в петлю (квадратную, прямоугольную или круглую), чтобы полностью сдерживать магнитный поток. Все эти варианты конструкции влияют на производительность и характеристики катушек индуктивности.

  Схематическое обозначение катушки индуктивности, как и конденсатора, довольно простое и представляет собой не более чем символ катушки, представляющий свернутый в спираль провод.Хотя простая форма катушки является общим обозначением любого индуктора, индукторы с сердечниками иногда отличаются добавлением параллельных линий к оси катушки. В новой версии символа индуктора не используется форма катушки в пользу нескольких «выступов» подряд:

  Поскольку электрический ток создает концентрированное магнитное поле вокруг катушки, этот поток поля приравнивается к накоплению энергии, представляющей кинетическое движение электронов через катушку.Чем больше ток в катушке, тем сильнее будет магнитное поле и тем больше энергии будет накапливать индуктор.

  Поскольку индукторы хранят кинетическую энергию движущихся электронов в форме магнитного поля, они ведут себя совершенно иначе, чем резисторы (которые просто рассеивают энергию в виде тепла) в цепи. Накопление энергии в катушке индуктивности зависит от величины проходящего через нее тока.

  Способность катушки индуктивности накапливать энергию в зависимости от тока приводит к стремлению поддерживать ток на постоянном уровне.Другими словами, катушки индуктивности имеют тенденцию сопротивляться изменениям тока. Когда ток через катушку индуктивности увеличивается или уменьшается, катушка индуктивности «сопротивляется» изменению , создавая напряжение между своими выводами с противоположной полярностью по отношению к изменению .

  Для сохранения большего количества энергии в катушке индуктивности необходимо увеличить ток через нее. Это означает, что его магнитное поле должно увеличиваться в силе, и это изменение напряженности поля создает соответствующее напряжение в соответствии с принципом электромагнитной самоиндукции.

  И наоборот, чтобы высвободить энергию из индуктора, ток через него должен быть уменьшен. Это означает, что магнитное поле индуктора должно уменьшаться в силе, и это изменение напряженности поля вызывает падение напряжения как раз противоположной полярности.

  Гипотетически, индуктор, оставленный замкнутым накоротко, будет поддерживать постоянный ток через него без внешней помощи:

  На практике, однако, способность индуктора к самоподдерживающемуся току реализуется только со сверхпроводящим проводом, поскольку сопротивления провода в любом нормальном индукторе достаточно, чтобы вызвать очень быстрое затухание тока без внешнего источника питания.

  Когда ток через катушку индуктивности увеличивается, в ней падает напряжение, противоположное направлению тока, действуя как силовая нагрузка. В этом состоянии индуктор называется , заряжающим , потому что в его магнитном поле накапливается увеличивающееся количество энергии. Обратите внимание на полярность напряжения относительно направления тока:

  И наоборот, когда ток через катушку индуктивности уменьшается, в ней падает напряжение, помогающее направлению тока, действуя как источник питания.В этом состоянии индуктор называется , разряжающим , потому что его запас энергии уменьшается по мере того, как он передает энергию из своего магнитного поля остальной части цепи. Обратите внимание на полярность напряжения относительно направления тока.

  Если источник электроэнергии внезапно подается на ненамагниченную катушку индуктивности, индуктор сначала будет сопротивляться протеканию тока, понижая полное напряжение источника. Когда ток начинает увеличиваться, создается все более сильное магнитное поле, поглощающее энергию от источника.В конце концов ток достигает максимального уровня и перестает расти. В этот момент катушка индуктивности перестает поглощать энергию от источника и снижает минимальное напряжение на своих выводах, в то время как ток остается на максимальном уровне.

  По мере того, как катушка индуктивности накапливает больше энергии, ее уровень тока увеличивается, а падение напряжения уменьшается. Обратите внимание, что это прямо противоположно поведению конденсатора, когда накопление энергии приводит к увеличению напряжения на компоненте! В то время как конденсаторы сохраняют свой энергетический заряд, поддерживая статическое напряжение, индукторы поддерживают свой энергетический «заряд», поддерживая постоянный ток через катушку.

  Тип материала, на который наматывается провод, сильно влияет на силу потока магнитного поля (и, следовательно, на количество запасенной энергии), генерируемого для любого заданного количества тока через катушку. Сердечники катушек, сделанные из ферромагнитных материалов (таких как мягкое железо), будут способствовать развитию более сильных потоков поля с заданной силой поля, чем немагнитные вещества, такие как алюминий или воздух.

  Что такое индуктивность?

  Мера способности катушки индуктивности накапливать энергию для заданной величины протекающего тока называется индуктивностью .Неудивительно, что индуктивность также является мерой силы сопротивления изменениям тока (точно, сколько самоиндуцированного напряжения будет произведено при заданной скорости изменения тока). Индуктивность символически обозначается заглавной буквой «L» и измеряется в единицах Генри, сокращенно «H».

  Дроссель против Индуктор

  Устаревшее название катушки индуктивности – choke , названное так из-за его обычного использования для блокировки («дросселирования») высокочастотных сигналов переменного тока в радиосхемах.Другое название индуктора, которое все еще используется в наше время, – это реактор , особенно когда он используется в приложениях большой мощности. Оба эти названия станут более понятными после того, как вы изучите теорию цепей переменного тока (AC), и особенно принцип, известный как индуктивное реактивное сопротивление .

  ОБЗОР:

  • Катушки индуктивности реагируют на изменения тока, понижая напряжение в полярности, необходимой для противодействия изменению.
  • Когда индуктор сталкивается с возрастающим током, он действует как нагрузка: создавая напряжение по мере поглощения энергии (положительное на стороне входа тока и отрицательное на стороне выхода тока, как резистор).
  • Когда индуктор сталкивается с уменьшающимся током, он действует как источник: создавая напряжение, высвобождая накопленную энергию (отрицательный на стороне входа тока и положительный на стороне выхода тока, как батарея).
  • Способность индуктора накапливать энергию в виде магнитного поля (и, следовательно, противодействовать изменениям тока) называется индуктивностью .