קטגוריות: מאמרים מוצגים » חשמלאים מתחילים
מספר צפיות: 110313
הערות לכתבה: 4
משרנים ושדות מגנטיים
אחרי הסיפור על שימוש בקבלים יהיה הגיוני לדבר על נציג אחר של מרכיבי רדיו פסיביים - משרנים. אבל הסיפור עליהם יצטרך להתחיל מרחוק, לזכור את קיומו של שדה מגנטי, מכיוון שהוא השדה המגנטי שמקיף וחודר לסלילים, זה בשדה מגנטי, לרוב לסירוגין, שהסלילים עובדים. בקיצור, זהו בית הגידול שלהם.
מגנטיות כנכס של חומר
מגנטיות היא אחד המאפיינים החשובים ביותר של החומר, כמו למשל שדה מסה או חשמלי. תופעות המגנטיות, לעומת זאת, כמו חשמל, היו ידועות זמן רב, רק אז המדע לא יכול היה להסביר את מהותן של תופעות אלה. תופעה בלתי מובנת כונתה "מגנטיות" בשם העיר מגנזיה, שהייתה פעם באסיה הקטנה. מקורו של עפרות שנכרתו בקרבת מקום הושגו מגנטים קבועים.
אך המגנטים הקבועים במסגרת מאמר זה אינם מעניינים במיוחד. ברגע שהובטח לדבר על משרנים, אז כנראה שנדבר על אלקטרומגנטיות, מכיוון שזה רחוק מלהיות סוד שגם סביב חוט עם זרם יש שדה מגנטי.
בתנאים מודרניים, די קל לחקור את תופעת המגנטיות ברמה הראשונית, לפחות,. לשם כך עליכם להרכיב מעגל חשמלי פשוט מסוללה ונורה לפנס. כאינדיקטור לשדה המגנטי, לכיוונו ולעוצמתו, תוכלו להשתמש במצפן הרגיל.
שדה מגנטי DC
כידוע, המצפן מראה את הכיוון לצפון. אם אתה מציב את חוטי המעגל הפשוט ביותר שהוזכר לעיל והפעל את האור, מחט המצפן תסטה מעט ממקומה הרגיל.
על ידי חיבור נורה נוספת במקביל, תוכלו להכפיל את הזרם במעגל, מה שגורם לזווית הסיבוב של החץ להתגבר מעט. זה מצביע על כך שהשדה המגנטי של החוט עם הזרם נעשה גדול יותר. על פי עיקרון זה מכשירי מדידת החצים עובדים.
אם הקוטביות של הפעלת המצבר מתהפכת, אז מחט המצפן תפנה לקצה השני - כיוון השדה המגנטי בחוטים השתנה גם הוא בכיוון. כאשר המעגל כבוי, מחט המצפן תחזור למקומה הראוי. אין זרם בסליל, ואין שדה מגנטי.
בכל הניסויים הללו, המצפן ממלא את התפקיד של מחט מגנטית לבדיקה, כשם שחקר שדה חשמלי קבוע מבוצע על ידי מטען חשמלי מבחן.
על סמך ניסויים פשוטים כאלה, אנו יכולים להסיק שמגנטיות נולדת בגלל זרם חשמלי: ככל שזרם זה חזק יותר, כך התכונות המגנטיות של המוליך חזקות יותר. ואז מאיפה השדה המגנטי של המגנטים הקבועים, מכיוון שאיש לא חיבר את הסוללה עם חוטים אליהם?
מחקר מדעי בסיסי הוכיח שמגנטיות קבועה מבוססת על תופעות חשמליות: כל אלקטרון נמצא בשדה חשמלי משלו ובעל תכונות מגנטיות יסודיות. רק ברוב החומרים, תכונות אלה מנוטרלות הדדית, ומסיבה כלשהי, משום מה, הן מהוות מגנט אחד גדול.
כמובן שלמעשה, הכל לא כל כך פרימיטיבי ופשוט, אך באופן כללי, אפילו למגנטים קבועים יש את התכונות הנפלאות שלהם בגלל תנועת המטענים החשמליים.
ואיזה קווים מגנטיים הם?
ניתן לראות חזותית קווים מגנטיים. בהתנסות בבית הספר, בשיעורי פיסיקה, מוזגים סיגריות מתכת על דף קרטון ומונחים מתחתיה מגנט קבוע. הקשה קלה על דף קרטון יכולה להשיג את התמונה המוצגת באיור 1.
איור 1
קל לראות שקווי כוח מגנטיים עוזבים את הקוטב הצפוני ונכנסים לדרום, מבלי להישבר. כמובן שאנו יכולים לומר שזה נהפוך הוא מדרום לצפון, אך נהוג כל כך, מצפון לדרום. באותו אופן כמו שאימצו פעם את כיוון הזרם מפלוס למינוס.
אם במקום מגנט קבוע, תיל זרם מועבר דרך קרטון, אז סיגי מתכת יראו אותו, המוליך, את השדה המגנטי. לשדה מגנטי זה יש צורות מעגליות קונצנטריות.
כדי ללמוד את השדה המגנטי אתה יכול להסתדר בלי נסורת. מספיק להזיז את החץ המגנטי לבדיקה סביב המוליך הנוכחי כדי לראות שקווי הכוח המגנטיים אכן הם מעגלים קונצנטריים סגורים. אם נעביר את חץ הבדיקה לצד בו השדה המגנטי מסיט אותו, אנו בהחלט נחזור לאותה נקודה ממנה התחילה התנועה. באופן דומה, כמו להסתובב סביב כדור הארץ: אם אתה לא הולך לשום מקום בלי להסתובב, אז במוקדם או במאוחר אתה תגיע לאותו מקום.
איור 2
כלל גימלט
כיוון השדה המגנטי של מוליך עם זרם נקבע על פי הכלל של הגימלט, כלי לקידוח חורים בעץ. הכל מאוד פשוט כאן: יש לסובב את הגימלט כך שתנועת התרגום שלו תואמת עם כיוון הזרם בחוט, ואז כיוון הסיבוב של הידית יראה לאן מכוון השדה המגנטי.
איור 3
"הזרם בא מאיתנו" - הצלב באמצע המעגל הוא פלומה של חץ שעף מעבר למישור התמונה, והיכן "הזרם מתקרב לעברנו", מוצג קצה החץ שעף מאחורי מטוס הגיליון. לפחות הסבר כזה על ייעודים אלה ניתן בשיעורי פיזיקה בבית הספר.
האינטראקציה של השדות המגנטיים של שני מוליכים עם זרם
איור 4
אם אנו מיישמים את כלל הגימלט על כל מוליך, לאחר שקבענו את כיוון השדה המגנטי בכל מוליך, נוכל לומר בביטחון שמוליכים עם אותו כיוון זרם נמשכים והשדות המגנטיים שלהם מסתכמים. מוליכים עם זרמים בכיוונים שונים דוחים הדדית, השדה המגנטי שלהם מפוצה.
משרן
אם המוליך עם הזרם עשוי בצורת טבעת (סליל), אז יש לו קטבים מגנטיים משלו, צפון ודרום. אבל השדה המגנטי של סיבוב אחד הוא בדרך כלל קטן. אתה יכול להשיג תוצאות טובות בהרבה על ידי עטיפת החוט בצורה של סליל. חלק כזה נקרא משרן או פשוט השראה. במקרה זה, השדות המגנטיים של מסתובב הפרט מסתכמים, ומחזקים זה את זה.
איור 5
איור 5 מראה כיצד להשיג את סכום השדות המגנטיים של הסליל. נראה שאפשר להניע כל סיבוב ממקורו, כפי שמוצג באיור. 5.2, אך קל יותר לחבר את הסיבובים בסדרה (פשוט עטפו אותם עם חוט אחד).
זה די ברור שככל שיש לסליל יותר פניות, השדה המגנטי שלו חזק יותר. כמו כן, השדה המגנטי תלוי גם בזרם דרך הסליל. לכן, זה לגיטימי להעריך את יכולתו של סליל ליצור שדה מגנטי פשוט על ידי הכפלת הזרם דרך הסליל (A) במספר הסיבובים (W). ערך זה נקרא אמפר - מסתובב.
סליל ליבה
ניתן להגדיל את השדה המגנטי הנוצר על ידי הסליל במידה ומכניסים לויליל ליבה של חומר פרומגנטי. איור 6 מציג טבלה עם חדירות מגנטית יחסית של חומרים שונים.
לדוגמה, פלדת שנאי תחזק את השדה המגנטי בערך פי 7..7.5 אלף מאשר בהיעדר גרעין. במילים אחרות, בתוך הליבה, השדה המגנטי יסובב את המחט המגנטית פי 7,000 יותר (ניתן לדמיין זאת רק נפשית).
איור 6
חומרים פרמגנטיים ויהלומניים נמצאים בראש השולחן. חדירות מגנטית יחסית µ מצויינת יחסית לוואקום. כתוצאה מכך, חומרים פרמטגנטיים מחזקים מעט את השדה המגנטי, ואילו חומרים יהלומניים נחלשים מעט.באופן כללי, לחומרים אלה אין השפעה מיוחדת על השדה המגנטי. אם כי, בתדרים גבוהים, ליבות פליז או אלומיניום משמשות לעתים לכוונון קווי המתאר.
בתחתית הטבלה ישנם חומרים פרומגנטיים המשפרים באופן משמעותי את השדה המגנטי של הסליל עם זרם. כך, למשל, גרעין העשוי מפלדת שנאי יחזק את השדה המגנטי 7,500 פעמים בדיוק.
כיצד ואיך מודדים את השדה המגנטי
כאשר נדרשו יחידות למדידת כמויות חשמל, מטען האלקטרונים נלקח כהפניה. יחידה אמיתית ואפילו מוחשית נוצרה ממטען של אלקטרון - תליון, ועל בסיסו הכל התברר פשוט: אמפר, וולט, אוהם, ג'ולה, וואט, פאראד.
ומה ניתן לקחת כנקודת מוצא למדידת שדות מגנטיים? איכשהו לחבר לשדה המגנטי של האלקטרון הוא מאוד בעייתי. לכן, מאומץ מוליך כיחידת מידה במגנטיות, דרכה זורם זרם ישר של 1 A.
מאפייני שדה מגנטי
המאפיין העיקרי כזה הוא מתח (H). זה מראה באיזה כוח השדה המגנטי פועל על מוליך הבדיקה שהוזכר לעיל, אם זה קורה בוואקום. הוואקום נועד להחריג את השפעת הסביבה, ולכן מאפיין זה - מתח נחשב לנקי לחלוטין. אמפר למטר (מטר / מ) נלקח כיחידת המתח. מתח כזה מופיע במרחק של 16 ס"מ מהמוליך, שלאורכו זורם זרם 1A.
חוזק השדה מדבר רק על היכולת התיאורטית של השדה המגנטי. היכולת האמיתית לפעול משקפת ערך שונה של אינדוקציה מגנטית (B). היא היא שמציגה את הכוח האמיתי איתו פועל השדה המגנטי על מוליך עם זרם של 1A.
איור 7
אם זרם של 1A זורם במוליך שאורכו 1 מ 'והוא נדחק החוצה (נמשך) בעוצמה של 1 N (102 G), אז הם אומרים כי גודל הזירוז המגנטי בנקודה זו הוא בדיוק טסלה.
אינדוקציה מגנטית היא כמות וקטורית, בנוסף לערך המספרי, יש לה גם כיוון שתמיד עולה בקנה אחד עם כיוון המחט המגנטית שבבדיקה בשדה המגנטי הנחקר.
איור 8
יחידת האינדוקציה המגנטית היא טסלה (TL), אם כי בפועל משתמשים לעתים קרובות ביחידת גאוס קטנה יותר: 1TL = 10,000G. האם זה הרבה או קצת? השדה המגנטי הסמוך למגנט רב עוצמה יכול להגיע למספר T, בסמוך למחט המגנטית של המצפן לא יותר מ- 100 גרם, השדה המגנטי של כדור הארץ בקרבת פני השטח הוא בערך 0.01 G או אפילו נמוך יותר.
שטף מגנטי
וקטור ההשראה המגנטית B מאפיין את השדה המגנטי בנקודה אחת בלבד בחלל. על מנת להעריך את השפעתו של שדה מגנטי בחלל מסוים, מושג מושג אחר כמו שטף מגנטי (Φ).
למעשה, הוא מייצג את מספר קווי האינדוקציה המגנטית העוברים במרחב נתון, דרך איזור כלשהו: Φ = B * S * cosα. ניתן לייצג תמונה זו בצורה של טיפות גשם: שורה אחת היא טיפה אחת (B), ויחד היא השטף המגנטי Φ. כך מחברים קווי מגנט כוח של פניות סליל בודדות לזרם משותף.
איור 9
במערכת SI, וובר (Wb) נלקח כיחידת השטף המגנטי, שטף כזה מתרחש כאשר אינדוקציה של 1 T פועלת על שטח של 1 מ"ר.
מעגל מגנטי
השטף המגנטי במכשירים שונים (מנועים, שנאים וכו '), ככלל, עובר בצורה מסוימת, המכונה מעגל מגנטי או פשוט מעגל מגנטי. אם המעגל המגנטי סגור (ליבת שנאי הטבעת), אז ההתנגדות שלו קטנה, השטף המגנטי עובר ללא הפרעה, מרוכז בתוך הליבה. באיור שלהלן מופיעות דוגמאות לסלילים עם מעגלים מגנטיים סגורים ופתוחים.
איור 10
התנגדות למעגל מגנטי
אך ניתן לחתוך את הליבה ולשלוף ממנו חתיכה, כדי ליצור פער מגנטי. זה יגדיל את ההתנגדות המגנטית הכוללת של המעגל, אם כן, יפחית את השטף המגנטי, ובאופן כללי יפחית את הגיוס בליבה כולה.זה אותו הדבר כמו הלחמת התנגדות רבה במעגל חשמלי.
איור 11.
אם הפער שנוצר נחסם באמצעות חתיכת פלדה, מתברר כי חלק נוסף עם התנגדות מגנטית נמוכה יותר היה מחובר במקביל לפער, מה שישיב את השטף המגנטי המופרע. זה דומה מאוד לשאנט במעגלי חשמל. אגב, יש גם חוק למעגל המגנטי, המכונה חוק אוהם למעגל המגנטי.
איור 12.
החלק העיקרי של השטף המגנטי יעבור דרך השאנט המגנטי. זו תופעה שמשמשת בהקלטה מגנטית של אותות שמע או וידאו: השכבה הפרומגנטית של הקלטת מכסה את הפער בליבת הראשים המגנטיים, והשטף המגנטי כולו נסגר דרך הקלטת.
ניתן לקבוע את כיוון השטף המגנטי הנוצר על ידי הסליל באמצעות הכלל של יד ימין: אם ארבע אצבעות מושטות מצביעות על כיוון הזרם בסליל, האגודל יציג את כיוון הקווים המגנטיים, כפי שמוצג באיור 13.
איור 13.
הוא האמין כי קווים מגנטיים עוזבים את הקוטב הצפוני ונכנסים לדרום. לכן האגודל במקרה זה מציין את מיקום הקוטב הדרומי. בדוק אם זה כן, אתה יכול שוב להשתמש במחט המצפן.
איך עובד המנוע החשמלי
ידוע כי חשמל יכול ליצור אור וחום, להשתתף בתהליכים אלקטרוכימיים. לאחר היכרות עם יסודות המגנטיות, תוכלו לדבר על אופן פעולתם של מנועים חשמליים.
מנועים חשמליים יכולים להיות בעלי תכנון שונה, עוצמתי ועקרון פעולה שונה מאוד: למשל זרם ישיר ומתחליף, מדרגה או אספן. אך עם כל מגוון העיצובים, עיקרון הפעולה מבוסס על האינטראקציה של השדות המגנטיים של הרוטור והסטטור.
כדי להשיג שדות מגנטיים אלה מועבר זרם דרך התפתלויות. ככל שהזרם גדול יותר וככל שההשראה המגנטית של שדה מגנטי חיצוני גבוהה יותר, כך המנוע חזק יותר. ליבות מגנטיות משמשות לחיזוק תחום זה, ולכן ישנם כל כך הרבה חלקי פלדה במנועים חשמליים. חלק מדגמי מנוע DC משתמשים במגנטים קבועים.
איור 14.
כאן, אפשר לומר, הכל ברור ופשוט: הם העבירו זרם דרך החוט, קיבלו שדה מגנטי. אינטראקציה עם שדה מגנטי אחר גורמת למוליך זה לזוז, ואף לבצע עבודות מכניות.
ניתן לקבוע את כיוון הסיבוב על ידי כלל היד השמאלית. אם ארבע אצבעות מושטות מצביעות על כיוון הזרם במוליך, והקווים המגנטיים נכנסים לכף היד שלך, אז האגודל הכפוף יציין את כיוון הפליטה של המוליך בשדה המגנטי.
המשך: משרנים ושדות מגנטיים. חלק 2. אינדוקציה אלקטרומגנטית ושראות
ראה גם באתר elektrohomepro.com
: