Катушка.

      Вы уже знаете, что проводник, по которому идет ток обретает свойства магнита, и способен влиять на магнитную стрелку компаса.

Линии магнитного поля, возникающего вокруг проводника с током - это замкнутые окружности, расположенные перпендикулярно проводнику. При этом, направление линий магнитной индукции зависит от направления тока в проводнике.

Магнитное поле создается проходящим через проводник электрическим током, движущимися электрическими зарядами. Для определения направления вектора индукции магнитного поля в проводнике с током применяют правило буравчика, или правило правой руки:

      Для прямого проводника с током правило правой руки имеет следующий вид: большой палец правой руки, отставленный на 90°, направляем по току I, тогда четыре согнутых пальца, обхватывающих проводник, укажут направление вектора индукции магнитного поля B;

Для витка с током правило правой руки имеет следующий вид: четыре согнутых пальца правой руки, обхватывающих виток, направляем по току I, тогда большой палец, отставленный на 90°, укажет направление вектора индукции магнитного поля B в центре витка.

      Свернутый в кольцо проводник позволяет получить подобие стержневого магнита, но поле такого магнита очень слабое. А что если взять несколько таких проводников? Их магнитное поле сложится, причем по всем этим виткам можно пропускать один и тот же ток, свернув провод в спираль. и уже больше будет похоже на магнит!

      Такой спиралевидный элемент называют "катушка индуктивности", или просто "катушка", или просто "индуктивность". Еще такую цилиндрическую катушку, длина которой больше её диаметра, иногда называют соленоидом.

Индуктивность.

      Линии магнитной индукции проходят внутри этого соленоида и образуют магнитный поток Ф. Оказалось, что ток I проходящий катушку, связан с магнитным потоком, который он создает неким коэффициентом L, который зависит только от свойств самой катушки, является её характеристикой и называется индуктивностью.

Ф=L∙I
Единицей измерения индуктивности является [L]=1Гн (Генри), в честь американского учёного Джозефа Генри.
Индуктивность очень длинного однослойного соленоида можно рассчитать по формуле:
L=μ₀∙N²∙S/l
где L - индуктивность, μ₀ - магнитная проницаемость вакуума, S - площадь сечения катушки; l - длина намотки.
Эта формула имеет только академический интерес и не пригодна для расчетов реальных катушек, т.к. справедлива только для бесконечно длинных соленоидов, которых в природе не существует.

Для практических расчетов удобно применять вот эту формулу:
где L - индуктивность катушки (мкГн); N - число витков катушки; D - диаметр намотки (см); l - длина намотки (см);



Катушки могут быть также с сердечником, и от материала, из которого изготовлен сердечник, зависит величина индуктивности.

L_серд.=μ∙L

где L_серд. - индуктивность катушки с сердечником, L - индуктивность этой же катушки без сердечника, μ - магнитная проницаемость сердечника.



С помощью сердечника удобно плавно менять индуктивность катушки, вводя сердечник вглубь катушки. Такие катушки называются подстроечными катушками



В Tinkercad Circuits катушки называются индукторами:

Последовательное и параллельное соединение катушек.

Последовательное соединение катушек

      При таком соединении катушки соединены последовательно друг за другом, то есть конец одной катушки соединяется с началом другой. Это приводит к тому, что через любую из катушек протекает один и тот же ток, а общее напряжение на них будет складываться из напряжений на каждой. Общий магнитный поток, пронизывающий все катушки, будет складываться из магнитных потоков, пронизывающих каждую из катушек.

n последовательно соединенных катушек всегда можно заменить одной эквивалентной катушкой. Сила тока в которой I_экв такая же как и через любую катушку в цепи:

I_экв=I₁=I₂=...=I_n

А так как магнитный поток и сила тока связаны: Ф=L∙I, то суммарный поток:

Ф_экв=Ф₁+Ф₂+...+Ф_n

можно записать в виде:

Ф_экв=L_экв∙I_экв = L₁∙I₁ + L₂∙I₂ +...+ L_n∙I_n

А так как токи равны, то ток можно вынести за скобку, и переписать в виде:

L_экв∙I = L₁∙I + L₂∙I +...+ L_n∙I =I∙(L₁ + L₂ +...+ L_n)

откуда следует, что:

L_экв = L₁ + L₂ +...+ L_n

Если все n катушек в цепи одинаковые и равны L, то формулу можно записать так:

L_экв = L∙n

Параллельное соединение катушек

      При таком соединении катушки соединены параллельно друг другу, то есть одни концы всех катушек соединены в одну точку, а другие концы - в другую точку.

Это приводит к тому, что на катушках одинаковые напряжения, их пронизывает одинаковый магнитный поток, однако каждый проводник принадлежит своему проводу, поэтому через каждый из них протекает свой ток, при этом суммарный ток:

I_экв=I₁+I₂+...+I_n

а так как I=Ф/L∙, то:

I_экв=Ф_экв/L_экв= Ф₁/L₁+Ф₂/L₂+...+Ф_n/L_n

Учитывая, что соединенные параллельно катушки создают одинаковые магнитные потоки:

Ф_экв=Ф₁=Ф₂=...=Ф_n

получим:

1/L_экв = 1/L₁ + 1/L₂ +...+ 1/L_n

И если все n катушек в цепи одинаковые и равны L, то после некоторых математических преобразований, формулу можно записать так:

L_экв = L / n

Электромагнит.

      Одна из основных характеристик - напряженность магнитного поля, показывает, с какой силой магнитное поле в данной точке действовало бы на пробный магнит, а конкретно на проводник с током 1А. При этом предполагается, что всё происходит в вакууме, и свойства среды никак не влияют. Единица напряженности [H]=1 А/м (Ампер/метр).

Итак, напряженность H говорит о том, что могло бы делать магнитное поле в вакууме, без учета влияния среды. Но влияние среды может быть очень сильным (см. урок 09. Например феррамагнетики могут усиливать магнитное поле в стони и тысячи раз. Поэтому вводится еще одна характеристика, с которой мы уже знакомы - магнитная индукция, она говорит о том, с какой силой магнитное поле действует в данной точке с учетом среды. Естественно, магнитная индукция B зависит от напряженности магнитного поля H. Напряженность и магнитная индукция связаны между собой:

B=H∙μ

где B - магнитная индукция, H - напряженность магнитного поля, μ - магнитная проницаемость сердечника.

Если вкачестве сердечника мы возьмем ферромагнетик и намотаем не нем катушку - мы получим электромагнит.

      В 1825 году английский инженер Уильям Стёрджен изготовил первый электромагнит, представляющий собой согнутый стержень из мягкого железа с обмоткой из толстой медной проволоки. Для изолирования от обмотки, стержень был покрыт лаком. При пропускании тока железный стержень приобретал свойства сильного магнита, но при прерывании тока он мгновенно их терял. Именно эта особенность электромагнитов и позволила широко применять их в технике.

      Мощные электромагниты в науке используются для создания мощных магнитных полей, а также переменных магнитных полей. В производстве, на заводах по переработке металлолома, можно встретить кран, с электромагнитом, вместо крюка, а в быту электромагнит применяется например в качестве электрозамка.

Copyright © R9AL 2021 Все права защищены

---