>>Фізика: Магнітне поле струму
Навколо магнітів існує магнітне поле. Щоб виявити його, достатньо помістити в це поле магнітну стрілку, здатну вільно повертатися під дією цього поля (для цього підвішують її на нитки або встановлюють на вістря). Коли ми підносимо до стрілки магніт, вона повертається у той чи інший бік. Чи можна повернути стрілку за допомогою електричного струму?
Звернемося до досвіду. Помістимо над магнітною стрілкою паралельно її осі провідник, підключений до джерела струму (рис. 55). Замкнемо ланцюг. Ми побачимо, як стрілка відхиляється, приймаючи нове становище. При розмиканні ланцюга вона повертається до попереднього положення.
Вперше дію провідника зі струмом на магнітну стрілку було виявлено в 1820 датським ученим Г. X. Ерстедом. Сам він не знайшов правильного пояснення цього явища. Це було зроблено пізніше.
Ми знаємо, що струм – це спрямований рух заряджених частинок. Якщо ці частинки спочивають, то вони створюють навколо себе лише електричне поле. Навколо зарядів, що рухаються, наприклад, електричного струму, крім електричного поля, існує ще й магнітне. Це поле і змушує повертатися магнітну стрілку, що знаходиться поруч із провідником зі струмом.
Магнітне поле існує навколо будь-якого провідника зі струмом. Тому електричний струм можна розглядати як джерело магнітного поля. Чим більша сила струму у провіднику, тим сильніше створюване ним магнітне поле.
Але якщо джерелом магнітного поля є електричні струми, чому тоді воно існує навколо постійних магнітів?
У 1820 р. французький вчений А. М. Ампер припустив, що магнітні властивості постійних магнітів обумовлені безліччю кругових струмів, що циркулюють усередині цих молекул. Ці струми були названі молекулярними. За часів Ампера природа цих струмів була невідома. Тепер ми знаємо, що всередині атомів і молекул дійсно рухаються заряджені частинки - електрони, завдяки яким і виникає намагніченість тіла.
Для графічного зображення магнітного поля використовують магнітні силові лінії. Так називають лінії, вздовж яких розташовуються осі маленьких магнітних стрілок, поміщених у поле. Напрямок, що вказується північним полюсом цих стрілок, приймають за напрямок магнітних силових ліній.
Помістивши магнітні стрілки навколо прямолінійного провідника зі струмом, можна побачити картину, зображену на малюнку 56, а. Замість магнітних стрілок у цьому досвіді можна використовувати залізну тирсу, розсипану по поверхні картону. У магнітному полі провідника зі струмом вони намагнічуються і, подібно до магнітних стрілок, встановлюються вздовж силових ліній магнітного поля. Спостерігається розташування стрілок показує, що силові лінії магнітного поля прямолінійного струму являють собою кола, що охоплюють цей струм(Рис. 56, б).
При зміні напрямку струму у провіднику змінюється і орієнтація магнітних стрілок. Це означає, що напрямоксилових ліній магнітного поля пов'язане із напрямком струму у провіднику.
Напрямок силових ліній магнітного поля прямолінійного струму визначається за допомогою першого правила правої руки:
якщо охопити провідник долонею правої руки, спрямувавши відставлений великий палець уздовж струму, то інші пальці цієї руки вкажуть напрямок силових ліній магнітного поля даного струму.(Рис. 57).
???
1. Опишіть досвід, у якому спостерігається дія електричного струму на магнітну стрілку. Хто і коли його вперше здійснив?
2. Що джерелом магнітного поля?
3. Як розташовуються магнітні стрілки у магнітному полі прямого струму?
4. Що називають магнітними силовими лініями?
5. Яку форму мають силові лінії магнітного поля прямолінійного струму?
6. Сформулюйте перше правило правої руки.
Якщо у вас є виправлення або пропозиції до цього уроку,
Магнітне поле провідника зі струмом.При проходженні струму прямолінійним провідником навколо нього виникає магнітне поле (рис. 38). Магнітні силові лінії цього поля розташовуються по концентричних кіл, в центрі яких знаходиться провідник зі струмом.
Напрямок магнітного поля навколо провідника зі струмом завжди знаходиться у суворій відповідності до напряму струму, що проходить по провіднику. Напрямок магнітних силових ліній можна визначити за правилом свердла.Його формулюють в такий спосіб. Якщо поступальний рухбуравчика / (рис. 39, а)поєднати з напрямком струму 2 у провіднику 3, то обертання його рукоятки вкаже напрямок силових ліній 4 магнітного поля довкола провідника. Наприклад, якщо струм проходить по провіднику в напрямку від нас за площину аркуша книги (рис. 39, б), то магнітне поле, що виникає навколо цього провідника, спрямоване за годинниковою стрілкою. Якщо струм по провіднику проходить у напрямку від площини аркуша книги до нас, магнітне поле навколо провідника спрямоване проти годинникової стрілки. Чим більше струм, що проходить по провіднику, тим сильніше магнітне поле, що виникає навколо нього. При зміні напрямку струму магнітне поле змінює свій напрямок.
У міру віддалення від провідника магнітні силові лінії розташовуються рідше. Отже, індукція магнітного поля та його напруженість зменшуються. Напруженість магнітного поля в просторі, що оточує провідник, де г- Відстань від точки до осі провідника.
Максимальна напруженість Я | ах має місце на зовнішній поверхні провідника / (рис. 40). Усередині провідника також
виникає магнітне поле, але напруженість його лінійно зменшується у напрямку від зовнішньої поверхні до осі (крива 2). Магнітна індукція поля навколо і всередині провідника змінюється так само, як і напруженість.
Методи посилення магнітних полів.Для отримання сильних магнітних полів при невеликих струмах зазвичай збільшують число провідників зі струмом та виконують їх у вигляді ряду витків; такий пристрій називають обмоткою,або котушкою.
При провіднику, зігнутому у вигляді витка (рис. 41, а), мапштні поля, утворені всіма ділянками цього провідника, будуть усередині витка мати однаковий напрямок. Тому інтенсивність магнітного поля всередині витка буде більшою, ніж навколо прямолінійного провідника. При об'єднанні витків у котушку магнітні поля, створені окремими витками, складаються (рис. 41,6) та його силові лінії з'єднуються у загальний магнітний потік. При цьому концентрація силових ліній усередині котушки зростає, тобто магнітне поле усередині неї посилюється. Чим більше струм, що проходить через котушку, і чим більше в ній витків, тим сильніше магнітне поле, що створюється котушкою.
Магнітне поле зовні котушки також складається з магнітних полів окремих витків, однак магнітні силові лінії розташовуються не так густо, внаслідок чого інтенсивність магнітного поля там не така велика, як усередині котушки. Магнітне поле котушки, обтічної струмом, має таку саму форму, як і полі прямолінійного постійного магніту(див. рис. 35, а):силові магнітні лінії виходять з одного кінця котушки і входять до іншого її кінця. Тому котушка, обтічна струмом, є штучним електричним магнітом. Зазвичай посилення магнітного поля всередину котушки вставляють сталевий сердечник; такий пристрій називається електромагніт.
Електромагніти знайшли надзвичайно широке застосування у техніці. Вони створюють магнітне поле, необхідне роботи електричних машин, і навіть електродинамічні зусилля, необхідні роботи різних електро вимірювальних приладівта електричних апаратів.
Електромагніти можуть мати розімкнений або замкнутий магнітний провід (рис. 42). Полярність кінця котушки електромагніта можна визначити, як і полярність постійного магніту за допомогою магнітної стрілки. До північного полюса вона повертається південним кінцем. Для визначення напрямку магнітного поля, створюваного витком або котушкою, можна використовувати також правило свердловин. Якщо поєднати напрямок обертання рукоятки з напрямком струму у витку чи котушці, поступальний рух буравчика вкаже напрямок магнітного поля.
Полярність електромагніта можна визначити за допомогою правої руки. Для цього руку треба покласти долонею на котушку (рис. 43) і поєднати чотири пальці з направленням струму, при цьому відігнутий великий палець покаже напрямок магнітного поля
Магнітне поле електричного струму
Магнітне поле створюється як природними чи штучними , а й провідником, якщо з ньому проходить електричний струм. Отже, існує зв'язок між магнітними та електричними явищами.
Переконатися в тому, що навколо провідника, яким проходить струм, утворюється магнітне поле, неважко. Над рухомою магнітною стрілкою паралельно до неї помістіть прямолінійний провідник і пропустіть через нього електричний струм. Стрілка займе положення перпендикулярне провіднику.
Які ж сили могли змусити повернутись магнітну стрілку? Очевидно, сили магнітного поля, що виникло навколо провідника. Вимкніть струм, і магнітна стрілка займе своє звичайне положення. Це говорить про те, що з вимкненням струму зникло магнітне поле провідника.
Таким чином, електричний струм, що проходить по провіднику, створює магнітне поле. Щоб дізнатися, в яку сторону відхилиться магнітна стрілка, застосовують правило правої руки. Якщо розташувати над провідником праву руку долонею вниз так, щоб напрям струму збігався з напрямом пальців, відігнутий великий палець покаже напрям відхилення північного полюса магнітної стрілки, поміщеної під провідником.Користуючись цим правилом і знаючи полярність стрілки, можна визначити напрямок струму в провіднику.
Магнітне поле прямолінійного провідника має форму концентричних кіл.Якщо розташувати над провідником праву руку долонею вниз так, щоб струм виходив з пальців, то відігнутий великий палець вкаже на північний полюс магнітної стрілки.Таке поле називається круговим магнітним полем.
Напрямок силових ліній кругового поля залежить від провідника і визначається так званим правилом «буравчика». Якщо буравчик подумки вкручувати за напрямом струму, то напрям обертання його ручки збігатиметься з напрямом магнітних силових ліній поля.Застосовуючи це правило, можна дізнатися про напрям струму в провіднику, якщо відомий напрям силових ліній поля, створеного цим струмом.
Повертаючись до досвіду з магнітною стрілкою, можна переконатися, що вона завжди розташовується своїм північним кінцем у напрямку силових ліній магнітного поля.
Отже, навколо прямолінійного провідника, яким проходить електричний струм, виникає магнітне поле. Воно має форму концентричних кіл і називається круговим магнітним полем.
Соленої д. Магнітне поле соленоїда
Магнітне поле виникає навколо будь-якого провідника незалежно від його форми за умови, що провідником проходить електричний струм.
У електротехніці ми маємо справу з , що складаються з низки витків. Для вивчення цікавого для нас магнітного поля котушки розглянемо спочатку, яку форму має магнітне поле одного витка.
Уявімо виток товстого дроту, що пронизує лист картону і приєднаний до джерела струму. Коли через виток проходить електричний струм, навколо кожної окремої частини витка утворюється кругове магнітне поле. За правилом «буравчика» неважко визначити, що магнітні силові лінії всередині витка мають однаковий напрямок (до нас чи від нас, залежно від напрямку струму у витку), причому вони виходять з одного боку витка і входять в інший бік. Ряд таких витків, що має форму спіралі, є так званим соленоїд (котушку).
Навколо соленоїда при проходженні через нього струму утворюється магнітне поле. Воно виходить в результаті складання магнітних полів кожного витка і формою нагадує магнітне поле прямолінійного магніту. Силові лінії магнітного поля соленоїда, так само як і в прямолінійному магніті, виходять з одного кінця соленоїда і повертаються до іншого. Усередині соленоїда вони мають однаковий напрямок. Таким чином, кінці соленоїда мають полярність. Той кінець, з якого виходять силові лінії, є північним полюсомсоленоїда, а кінець, куди силові лінії входять, - його південним полюсом.
Полюси соленоїдаможна визначити за правилу правої рукиАле для цього треба знати напрям струму в його витках. Якщо накласти на соленоїд праву руку долонею вниз, так щоб струм виходив з пальців, то відігнутий великий палець вкаже на північний полюс соленоїда. З цього правила випливає, що полярність соленоїда залежить від напрямку струму в ньому. У цьому неважко переконатися практично, піднісши до одного з полюсів соленоїда магнітну стрілку і потім змінивши напрямок струму в соленоїді. Стрілка вмить повернеться на 180°, тобто вкаже на те, що полюси соленоїда змінилися.
Соленоїд має властивість втягувати в себе легкі залізні предмети. Якщо всередину соленоїда помістити сталевий брусок, через деякий час під дією магнітного поля соленоїда брусок намагнітиться. Цей спосіб застосовують при виготовленні.
Електромагніти
Є котушкою (соленоїд) з поміщеним всередину її залізним сердечником. Форми та розміри електромагнітів різноманітні, проте загальний пристрійвсіх їх однаково.
Котушка електромагніту є каркасом, виготовленим найчастіше з пресшпану або фібри і має різні формиЗалежно від призначення електромагніту. На каркас намотаний у кілька шарів мідний ізольований дріт - обмотка електромагніту. Вона має різну кількість витків і виготовляється з дроту різного діаметра, залежно від призначення електромагніту.
Для запобігання ізоляції обмотки від механічних пошкодженьобмотку покривають одним або декількома шарами паперу або іншим ізолюючим матеріалом. Початок і кінець обмотки виводять назовні та приєднують до вивідних клем, укріплених на каркасі, або до гнучких провідників з наконечниками на кінцях.
Котушка електромагніту насаджена на сердечник з м'якого, відпаленого заліза або сплавів заліза з кремнієм, нікелем і т. д. Таке залізо має найменший залишковий. Сердечники найчастіше роблять складовими з тонких листів, ізольованих другвід друга. Форми сердечників можуть бути різними залежно від призначення електромагніту.
Якщо по обмотці електромагніта пропустити електричний струм, навколо обмотки утворюється магнітне поле, яке намагнічує сердечник. Оскільки сердечник виготовлений з м'якого заліза, він намагнітиться миттєво. Якщо потім вимкнути струм, то магнітні властивості осердя також швидко зникнуть, і він перестане бути магнітом. Полюси електромагніту, як і соленоїда, визначаються за правилом правої руки. Якщо в обмотці електромагніта змінити, то відповідно до цього зміниться і полярність електромагніту.
Дія електромагніту подібна до дії постійного магніту. Однак між ними є велика різниця. Постійний магніт завжди має магнітні властивості, а електромагніт тільки тоді, коли по його обмотці проходить електричний струм.
З іншого боку, сила тяжіння постійного магніту незмінна, оскільки незмінний магнітний потік постійного магніту. Сила ж тяжіння електромагніта перестав бути величиною постійної. Один і той же електромагніт може мати різну силу тяжіння. Сила тяжіння будь-якого магніту залежить від величини його магнітного потоку.
З мулу тяжіння, отже, та її магнітний потік залежить від величини струму, що проходить через обмотку цього електромагніта. Чим більший струм, тим більше сила тяжіння електромагніту, і, навпаки, що менше струм в обмотці електромагніта, то з меншою силою він притягує до себе магнітні тіла.
Але для різних за своїм пристроєм та розмірами електромагнітів сила їх тяжіння залежить не тільки від величини струму в обмотці. Якщо, наприклад, взяти два електромагніти однакового пристрою і розмірів, але один з невеликим числом витків обмотки, а інший - з набагато більшим, то неважко переконатися, що при тому самому струмі сила тяжіння останнього буде набагато більшою. Дійсно, чим більше число витків обмотки, тим більше при даному струмі створюється навколо цієї обмотки магнітне поле, оскільки воно складається з магнітних полів кожного витка. Отже, магнітний потік електромагніту, а отже, і сила його тяжіння буде тим більшою, чим більша кількість витків має обмотка.
Є ще одна причина, що впливає на величину магнітного потоку електромагніту. Це – якість його магнітного ланцюга. Магнітним ланцюгом називається шлях, яким замикається магнітний потік. Магнітний ланцюг має певне магнітним опором. Магнітний опір залежить від магнітної проникності середовища, через яке проходить магнітний потік. Чим більша магнітна проникність цього середовища, тим менше його магнітний опір.
Оскільки магнітна проникність феромагнітних тіл (заліза, сталі) у багато разів більша за магнітну проникність повітря, тому вигідніше робити електромагніти так, щоб їх магнітний ланцюг не містив у собі повітряних ділянок. Добуток сили струму на число витків обмотки електромагніта називається магніторушійною силою. Магніторушійна сила вимірюється кількістю ампер-витків.
Наприклад, по обмотці електромагніта, що має 1200 витків, проходить струм силою 50 ма. Магніторушійна сила такого електромагнітудорівнює 0,05 х 1200 = 60 ампер-витків.
Дія магніторушійної сили аналогічна дії електрорушійної силив електричного ланцюга. Подібно до того, як ЕРС є причиною виникнення електричного струму, магніторушійна сила створює магнітний потік в електромагніті. Точно так само, як в електричному ланцюзі зі збільшенням ЕРС збільшується струм у ціні, так і в магнітному ланцюзі зі збільшенням магніторушійної сили збільшується магнітний потік.
Дія магнітного опоруаналогічно дії електричного опору ланцюга. Як зі збільшенням опору електричного ланцюга зменшується струм, так і в магнітному ланцюгу Збільшення магнітного опору викликає зменшення магнітного потоку.
Залежність магнітного потоку електромагніту від магніторушійної сили та його магнітного опору можна виразити формулою, аналогічною формулі закону Ома: магніторушійна сила = (магнітний потік/магнітний опір)
Магнітний потік дорівнює магнитодвижущей силі, поділеної на магнітний опір.
Число витків обмотки та магнітний опір для кожного електромагніта є величина постійна. Тому магнітний потік даного електромагніту змінюється лише зі зміною струму, що проходить обмоткою. Так як сила тяжіння електромагніта обумовлюється його магнітним потоком, те щоб збільшити (або зменшити) силу тяжіння електромагніту, треба відповідно збільшити (або зменшити) струм в його обмотці.
Поляризований електромагніт
Поляризований електромагніт є з'єднанням постійного магніту з електромагнітом. Він улаштований таким чином. До полюсів постійного магніту прикріплені звані полюсні надставки з м'якого заліза. Кожна полюсна надставка служить осердям електромагніту, на неї насаджується котушка з обмоткою. Обидві обмотки з'єднуються між собою послідовно.
Так як полюсні надставки безпосередньо приєднані до полюсів постійного магніту, то вони мають магнітні властивості і за відсутності струму в обмотках; при цьому сила тяжіння їх незмінна та обумовлюється магнітним потоком постійного магніту.
Дія поляризованого електромагніта полягає в тому, що при проходженні струму по його обмотках сила тяжіння його полюсів зростає або зменшується в залежності від величини та напряму струму в обмотках. На цій властивості поляризованого електромагніту засновано дію та інших електротехнічних пристроїв.
Дія магнітного поля на провідник зі струмом
Якщо в магнітне поле помістити провідник так, щоб він був розташований перпендикулярно силовим лініям поля, і пропустити по цьому провіднику електричний струм, то провідник почне рухатися і виштовхуватиметься з магнітного поля.
В результаті взаємодії магнітного поля з електричним струмомпровідник починає рухатися, т. е. електрична енергія перетворюється на механічну.
Сила, з якою провідник виштовхується з магнітного поля, залежить від величини магнітного потоку магніту, сили струму у провіднику та довжини тієї частини провідника, яку перетинають силові лінії поля.Напрямок дії цієї сили, тобто напрям руху провідника, залежить від напрямку струму у провіднику і визначається по правила лівої руки.
Якщо тримати долоню лівої руки так, щоб до неї входили магнітні силові лінії поля, а витягнуті чотири пальці були звернені у напрямку струму у провіднику, то відігнутий великий палець вкаже напрямок руху провідника. Застосовуючи це правило, слід пам'ятати, що силові лінії поля виходять із північного полюса магніту.
Електричний струм, що протікає провідником, створює навколо цього провідника магнітне поле (рис. 7.1). Напрямок магнітного поля, що виникає, визначається напрямом струму.
Спосіб позначення напрямку електричного струму у провіднику показано на рис. 7.2: точку на рис. 7.2(а) можна сприймати як вістря стрілки, що вказує напрямок струму до спостерігача, а хрестик - як хвіст стрілки, що вказує напрямок струму від спостерігача.
Магнітне поле, що виникає навколо провідника зі струмом, показано на рис. 7.3. Напрямок цього поля легко визначається за допомогою правила правого гвинта (або правила буравчика): якщо вістря буравчика поєднати з напрямком струму, то при його загвинчуванні напрямок обертання рукоятки збігатиметься з напрямком магнітного поля.
Мал. 7.1. Магнітне поле навколо провідника зі струмом.
Мал. 7.2. Позначення напрямку струму (а) до спостерігача та (б) від спостерігача.
Поле, яке створюється двома паралельними провідниками
1. Напрями струмів у провідниках збігаються. На рис. 7.4(а) зображено два паралельні провідники, розташовані на деякій відстані один від одного, причому магнітне поле кожного провідника зображено окремо. У проміжку між провідниками створювані ними магнітні поля протилежні за напрямом і компенсують одне одного. Результуючий магнітне поле показано на рис. 7.4(б). Якщо змінити напрямок обох струмів на зворотний, то зміниться на зворотний і напрямок результуючого магнітного поля (рис. 7.4 (б)).
Мал. 7.4. Два провідники з однаковими напрямками струмів (а) та їх результуюче магнітне поле (6, в).
2. Напрями струмів у провідниках протилежні. На рис. 7.5(а) показано магнітні поля для кожного провідника окремо. У цьому випадку у проміжку між провідниками їх поля підсумовуються і тут результуюче поле (рис. 7.5(б)) максимально.
Мал. 7.5. Два провідники з протилежними напрямками струмів (а) та їх результуюче магнітне поле (б).
Мал. 7.6. Магнітне поле соленоїда.
Соленоїд – це циліндрична котушка, що складається з великої кількості витків дроту (рис. 7.6). Коли по витках соленоїда протікає струм, соленоїд поводиться як смуговий магніт із північним та південним полюсами. Створюване ним магнітне поло нічим не відрізняється від нуля постійного магніту. Магнітне поле всередині соленоїда можна посилити, намотавши котушку на магнітний сердечник зі сталі, заліза або іншого магнітного матеріалу. Напруженість (величина) магнітного поля соленоїда залежить також від сили електричного струму, що пропускається, і числа витків.
Електромагніт
Соленоїд можна використовувати як електромагніт, при цьому сердечник робиться з магнітом'якого матеріалу, наприклад ковкого заліза. Соленоїд поводиться як магніт тільки в тому випадку, коли через котушку протікає електричний струм. Електромагніти застосовуються в електричних дзвінках та реле.
Провідник у магнітному полі
На рис. 7.7 зображено провідник зі струмом, поміщений у магнітне поле. Видно, що магнітне поле цього провідника складається з магнітним полем постійного магніту в зоні вище провідника і віднімається в зоні нижче провідника. Таким чином, сильніше магнітне поле знаходиться вище провідника, а слабше - нижче (рис. 7.8).
Якщо змінити напрямок струму у провіднику на зворотний, то форма магнітного поля залишиться колишньою, але його величина буде більшою під провідником.
Магнітне поле, струм та рух
Якщо провідник зі струмом помістити в магнітне поле, то на нього діятиме сила, яка намагається пересунути провідник з області сильнішого поля в слабшу область, як показано на рис. 7.8. Напрямок цієї сили залежить від напрямку струму, а також від напрямку магнітного нуля.
Мал. 7.7. Провідник зі струмом у магнітному полі.
Мал. 7.8. Результуюче поле
Величина сили, що діє на провідник із струмом, визначається як величиною магнітного поля, так і силою гіка, що протікає через цей провідник.
Рух провідника, поміщеного в магнітне поле, при пропущенні через нього струму називається принципом двигуна. На цьому принципі засновано роботу електродвигунів, магнітоелектричних вимірювальних приладів з рухомою котушкою та інших пристроїв. Якщо провідник переміщати в магнітному полі, у ньому генерується струм. Це називається принципом генератора. На цьому принципі заснована робота генераторів постійного та змінного струму.
До цього часу розглядалося магнітне поле, пов'язане лише з постійним електричним струмом. І тут напрям магнітного поля незмінно і визначається напрямом постійного дока. При перебігу змінного струму створюється змінне магнітне поле. Якщо окрему котушку помістити в це змінне поле, то в ній індукуватиметься (наводиться) ЕРС (напруга). Або якщо дві окремі котушки розташувати у безпосередній близькості один до одного, як показано на рис. 7.9. і докласти змінну напругу до однієї обмотки (W1), то між висновками другої обмотки (W2) виникатиме нова змінна напруга (індукована ЕРС). Це принцип роботи трансформатора.
Мал. 7.9. Індукована ЕРС.
У цьому відео розповідається про поняття магнетизму та електромагнетизму:
