Как движется ток в цепи с катушкой

Индуктивность

Индуктивность показывает, какой магнитный поток может создать данный проводник (катушка), если через него протекает данный ток. Если индуктивность большая, то катушка создаст сильный магнитный поток (потокосцепление), если индуктивность маленькая, то катушка создаст слабый магнитный поток.

Свойство проводника (катушки) создавать магнитный поток, называется индуктивностью.

Индуктивность – коэффициент пропорциональности между магнитным потоком и током

Ф = LI (данный ток создаст тем больший магнитный поток, чем больше индуктивность)

Lпров.= Ф\I = Вб\А= Ф=LI Ф= = м2_*Тл

Lкат.= ωФ\I

Индуктивность – неотъемлемое свойство данного проводника или катушки. и один из трех главных параметров любой электрической цепи :R, L, C

Индуктивность определяется физическими параметрами катушки, она прямо пропорциональна магнитной проницаемости и квадрату числа витков, площади сечения и обратно пропорциональна длине катушки.

Соленоид и его магнитные свойства. Электромагниты

Короткие провода применяются редко. Тем более, что при небольшом токе вокруг них возникает и небольшое магнитное поле. Для усиления магнитного действия прямой провод сворачивают в виде спирали на непроводящем трубчатом каркасе (дереве, пластмассе, керамике). Такое устройство называется соленоидом (от греч. «солен» — «трубка»). Проще говоря, это катушка с током.

Магнитные поля полосового магнита и катушки-соленоида очень похожи. Силовые линии катушки выходят с северного полюса, в южный полюс входят.

Определить полюсы соленоида можно, поднеся к краю катушки магнит. Если цепь замкнута, и по катушке идет ток, то магнит или притянется к соленоиду, или оттолкнется от него. Например, к катушке приблизили северный полюс магнита, подвешенный на нити.

Магнит оттолкнулся от края катушки. Но ведь отталкиваются одноименные полюсы. Значит, приблизили магнит к северному полюсу соленоида. С другой стороны будет находиться южный полюс.

Магнит будет притягиваться к катушке, значит, рядом с магнитом находится южный полюс катушки, так как притягиваются разноименные полюсы.

Направление линий магнитного поля катушки с током помогает определить второе правило правой руки.

Получается, что соленоид можно использовать как магнит, если подключить такой магнит к источнику тока. Это будет уже не постоянный магнит, а созданный с использованием электрического тока, который срабатывает при включении в электрическую сеть.

При изменении (увеличении или уменьшении) магнитного действия соленоида можно пойти тремя путями:

регулированием силы тока цепи (можно с помощью реостата);

увеличением (уменьшением) количества витков катушки;

использованием внутри катушки сердечника (чаще всего из железа).

Приспособление, состоящее из катушки с током и сердечника внутри нее, называется электромагнитом. Это одна из главных частей большинства электротехнических приборов, систем и устройств:

телеграфная связь;
стационарные телефонные аппараты;
электрические звонки;
электродвигатели;
трансформаторы;
электромагнитные реле;
домофоны;
производственные электромагниты.

Грузоподъемный магнит.

Домофон с электромагнитом.

Вентилятор с электродвигателем. Самый первый электромагнит был изготовлен англичанином У. Стердженом в 1825 году. Его магнит массой 200 г сумел удержать тело в 3 кг 600 г. Через шесть лет американец Дж. Генри создал электромагнит, который поднимал уже 1000 кг.

Интересно и просто на основе электромагнита работает электрический звонок.

Формулы

Собственный магнитный поток контура (Ф) связан прямо пропорциональной зависимостью с индуктивностью (L) этого контура и величиной тока в нём (i). Данная зависимость выражается формулой: Ф = L×i. Коэффициент пропорциональности L принято называть коэффициентом самоиндукции или же просто индуктивностью контура.

При этом индуктивность контура пребывает в зависимости от его геометрии, площади плоскости ограниченной витком и магнитной проницаемости окружающей среды. Но этот коэффициент не зависит от силы тока в контуре. Если же форма, линейные размеры и магнитная проницаемость не изменяются, то для определения величины индуктивной ЭДС применяется формула:

где Eсамоинд. – ЭДС самоиндукции, Δi – изменение силы тока за время Δt.

Применение магнитных цепей

Магнитные цепи находят очень большое поле применения, а именно, они используются для надежного пропускания магнитного потока по специальному проводнику с минимальными или, в некоторых случаях, определенными потерями. В электротехнической промышленности широко используется взаимная зависимость магнитной и электрической энергий, переход из одного состояния в другое. На подобном принципе работают, например, трансформаторы, разные электродвигатели, генераторы и другие устройства.

Конечно, можно продолжительное время говорить об устройствах, разных типах магнитопроводов (про которые речь пойдет далее), но наша первичная цель – рассмотреть выводы основных характеристик магнитных цепей. Продолжаем!

Индукция магнитного поля катушки с током

Хотя магнитное поле соленоида с железным сердечником гораздо сильнее магнитного поля соленоида с воздушным сердечником, величина его ограничена свойствами железа. Размер того, которое создается катушкой с воздушным сердечником, теоретически не имеет предела. Однако, как правило, получать огромные токи, необходимые для создания поля, сравнимого по величине с полем соленоида с железным сердечником, очень трудно и дорого. Не всегда следует идти этим путем.

Что будет, если изменить магнитное поле катушки с током? Это действие может породить электрический ток точно так же, как ток создает магнитное поле. При приближении магнита к проводнику магнитные силовые линии, пересекающие проводник, индуцируют в нем напряжение. Полярность индуцированного напряжения зависит от полярности и направления изменения магнитного потока. Этот эффект значительно сильнее проявляется в катушке, чем в отдельном витке: он пропорционален числу витков в обмотке. При наличии железного сердечника индуцированное напряжение в соленоиде увеличивается. При таком способе необходимо движение проводника относительно магнитного потока. Если проводник не будет пересекать линии магнитного потока, напряжение не возникнет.

Об индуктивности простыми словами

Индуктивностью является физическая величина, которая была введена с целью оценки способности электрического проводника противодействовать току. Т.е. индуктивность, или как ее еще называют – коэффициент самоиндукции, показывает зависимость Ɛ от свойств проводника и от магнитной проницаемости среды, в которой он находится. Единицей измерения величины является генри (Гн).

Если рассмотреть величину на примере катушки индуктивности, то можно понять, что ее показатели будут изменяться в зависимости от числа витков катушки, а также ее размеров и формы. Чем больше количество витков, тем больше индуктивность. Данная величина также будет увеличена, если внутрь катушки будет помещен сердечник, так как изменится относительная магнитная проницаемость среды, в которой находится проводник. Данную зависимость можно увидеть на схеме.

Если посмотреть на формулу зависимости ЭДС от индуктивности, то можно понять, что чем больше будет величина, тем заметнее будет электродвижущая сила, что говорит о их прямой пропорциональности. Следуя из этого, можно сделать вывод, что индуктивность выступает неким «хранилищем» энергии, которое открывается в момент изменения тока.

Ɛ=- L(dI/dt), где:

Ɛ – ЭДС самоиндукции;
L-индуктивность;
I – сила тока;
t – время.

При этом L равно магнитному полю (Ф) деленному на силу тока (I).

Катушка индуктивности в цепи постоянного тока.

И, в первую очередь, разберемся, что 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? Однозначно нет. Ведь постоянный ток можно “включать/выключать”, и как раз в моменты переключения и происходят все ключевые процессы. 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:

\varepsilon_s = -\frac{d\Phi}{dt}

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 I_L будет равен 0. В этот момент времени ЭДС самоиндукции максимальна.

А далее произойдет следующее – 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, но 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.

Напряжение 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).

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 как раз индуктивность катушки:

\varepsilon_s = -L\medspace\frac{dI}{dt}

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

Важный (!) нюанс заключается в том, что напряжение на катушке при описанных переходных процессах может достигнуть весьма значительных величин. Это, в свою очередь, легко может привести к выходу из строя тех или иных компонентов, входящих в состав цепи. Например, при управлении индуктивной нагрузкой при помощи ключа на транзисторе явление возникновения ЭДС самоиндукции с впечатляющей вероятностью приведет к выходу транзистора из строя. Для защиты от этого параллельно индуктивной нагрузке ставят защитный диод, но сегодня речь не об этом, поэтому для данного аспекта я опубликую отдельный материал с рассмотрением основных нюансов.

Вариант 2

1. Какое преимущество имеют электромагниты перед постоянными магнитами?

2. Как изменятся магнитные свойства катушки с током, если в ней увеличить силу тока?

3. На рисунке указаны полюса источника тока, к которому присоединен электромагнит. Какой полюс электромагнита располагается справа?

4. На рисунке указано положение южного полюса электромагнита. Где располагается положительная клемма источника тока?

5. Что является основной частью компаса? В каких районах Земли магнитная стрелка ведет себя «странно»?

Ответы на самостоятельную работу Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение. Постоянные магниты. Магнитное поле постоянных магнитов. Магнитное поле Земли 8 класс Вариант 1 1. Для сортировки деталей, магнитные держатели, в звуковых устройствах, например, в звукоснимателе, магнитные сепараторы для зерна. 2. Электромагнитные свойства усилятся. 3. Южный полюс. 4. Положительная клемма расположена снизу. 5. Максимальное количество магнитных зарядов Земли находятся на Северном и Южном магнитных полюсах (не совпадающих с полюсами географической зоны). Стрелка поворачивается к противоположным магнитным зарядам Земли и всегда показывает на Север. Вариант 2 1. Электромагниты обладают свойства притягивать объекты тогда, когда нам это необходимо. Начинает течь ток и магнит работает. Можно менять вектор магнитной индукции, изменяя величину силы тока, или его направления. 2. Магнитные свойства катушки увеличатся. 3. Южный полюс 4. Положительная клемма расположена сверху. 5. Магнитная стрелка, является основной частью компаса. Странно стрелка будет вести себя на экваторе. Также странно будет вести себя в местах магнитной аномалии, чаще всего там располагаются большие залежи железной руды.

Источник

Открытия Лоренца

Выделим основные открытия Лоренца.

Лоренц установил, что магнитное поле действует на движущуюся в нём частицу, заставляя её двигаться по дуге окружности:

(1.3.)

Поскольку сила Лоренца – центростремительная сила, перпендикулярная направлению скорости. Прежде всего, открытый Лоренцем закон, позволяет определять такую важнейшую характеристику как отношение заряда к массе – удельный заряд.

(1.4.)

Значение удельного заряда – величина уникальная для каждой заряженной частицы, что позволяет их идентифицировать, будь-то электрон, протон или любая другая частица. Таким образом, учёные получили мощный инструмент для исследования. Например, Резерфорд сумел провести анализ радиоактивного излучения и выявил его компоненты, среди которых присутствуют альфа-частицы – ядра атома гелия и бета-частицы – электроны. В ХХ веке появились ускорители, работа которых основана на том, что заряженные частицы ускоряются в магнитном поле. На этом принципе разработан Большой адронный коллайдер. Благодаря открытиям Лоренца наука получила принципиально новый инструмент для физических исследований, открывая дорогу в мир элементарных частиц.

Для того чтобы охарактеризовать влияние учёного на технический прогресс вспомним о том, что из выражения для силы Лоренца вытекает возможность рассчитать радиус кривизны траектории частицы, которая движется в постоянном магнитном поле. При неизменных внешних условиях этот радиус зависит от массы частицы, её скорости и заряда. Таким образом, получаем возможность классифицировать заряжённые частицы по этим параметрам и, следовательно, можем проводить анализ какой-либо смеси. Если смесь веществ в газообразном состоянии ионизировать, разогнать и направить в магнитное поле, то частицы начнут двигаться по дугам окружностей с различными радиусами – частицы будут покидать поле в разных точках и остаётся только зафиксировать эти точки вылета, что реализуется при помощи экрана, покрытого люминофором, который светится при попадании на него заряжённых частиц. Именно по такой схеме работает масс-анализатор. Масс-анализаторы широко применяют в физике и химии для анализа состава смесей.

Это ещё не все технические устройства, которые работают на основе разработок и открытий Ампера и Лоренца, ведь научное знание рано или поздно перестает быть исключительной собственностью учёных и становится достоянием цивилизации, при этом оно воплощается в различных технических устройствах, которые делают нашу жизнь более комфортной.

Домашняя работа.

Задание 1. Ответь на вопросы.

Какие явления наблюдаются в цепи, в которой существует электрический ток?
Какие магнитные явления вам известны?
В чём состоит опыт Эрстеда?
Какая связь существует между электрическим током и магнитным полем?
Почему для изучения магнитного поля можно использовать железные опилки?
Как располагаются железные опилки в магнитном поле прямого тока?
Что называют магнитной линией магнитного поля?
Для чего вводят понятие магнитной линии поля?
Как на опыте показать, что направление магнитных линий связано с направлением тока

Задание 2. Проведите опыт.

ОПЫТЫ
С ЖЕЛЕЗНЫМИ ОПИЛКАМИ

Возьмите магнит любой формы, накройте его куском тонкого картона,
посыпьте сверху железными опилками и разровняйте их.
Так интересно наблюдать магнитные поля!
Ведь каждая «опилочка», словно магнитная стрелка, располагается вдоль магнитных линий.
Таким образом становятся «видимыми» магнитные линии магнитного поля вашего магнита.
При передвижении картона над магнитом (или наоборот магнита под картоном)
опилки начинают шевелиться, меняя узоры магнитного поля.

https://www.kursoteka.ru/catalog/school/5
http://www.umnik-umnica.com/ru/school/physics/11-klass/
http://class-fizika.narod.ru
https://www.youtube.com/watch?v=aGIWuE1iL28
https://www.youtube.com/watch?v=Tt7hXaukl9U

Электрический ток в металлах

Электроны, перескакивая от одного атома к другому, движутся в том направлении, куда им указывает электрическое поле. Это движение и называется электрическим током в металлах.

Мы знаем, что электрический ток – это направленное, упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах в роли движущихся заряженных частиц выступают электроны. В других веществах это могут быть ионы или ионы и электроны.

Движение заряженных частиц (в металлах – электронов) происходит очень медленно (доли миллиметров в секунду). Возникает вопрос: почему же, когда мы нажимаем на выключатель, лампочка загорается практически мгновенно?

Дело в том, что внутри проводников с огромной скоростью (со скоростью света – приблизительно 300 000 километров в секунду) распространяется электрическое поле.

При замыкании цепи поле распространяется практически мгновенно. А уже вслед за полем начинают медленно двигаться электроны, причём сразу по всей цепи. Эту ситуацию можно сравнить с движением воды в водопроводе. Воду заставляет двигаться давление в трубах, которое при открытии крана распространяется практически мгновенно, заставляя «ближайшую» к крану воду выливаться. При этом по трубам движется вся вода под этим самым давлением. Получается, что давление – это аналог электрического поля, а вода – аналог электронов. Как только прекращается действие электрического поля, сразу прекращается упорядоченное движение электрических зарядов.

Опыт Рикке

Возникает логичный вопрос: а не изменяется ли проводник из-за того, что из него «ушли» электроны? Опыт по подтверждению того, что все электроны одинаковые, был проведён немецким учёным Рикке (Рис. 4) тогда, когда на трамвайных линиях использовали три разных проводника: алюминиевый и два медных.

Рис. 4. Карл Виктор Рикке (

)

Рикке в течение года наблюдал за последовательным соединением трёх проводников: медь + алюминий + медь. Поскольку ток в трамвайных линиях течёт довольно большой, то эксперимент позволял дать однозначный ответ: одинаковы ли электроны, которые являются носителями отрицательного заряда в разных проводниках.

За год масса проводников не изменилась, диффузии не произошло, то есть структура проводников осталась неизменной. Из этого следовал вывод, что электроны могут переходить из одного проводника в другой, но структура их при этом не изменится.

Виды и типы

Различают низкочастотные, высокочастотные модели. В отдельную категорию выделяют винтовые, спиральные катушки. Также существуют модификации, которые используются в радиотехнике. Они подходят для защиты конденсатора либо резонансных контуров.

Для трансформаторов годятся катушки с усилителем каскадом. В последнюю категорию выделены вариометры, основное отличие — высокая частота колебательных контуров. Дроссели могут быть одинарными либо сдвоенными. От этого зависит показатель индуктивности и питания системы.

Низкочастотные

Для включения в электрическую цепь, применяется низкочастотная катушка индуктивности. Она предназначена для подавления переменного тока. В формуле учитывается циклическая частота и показатели индуктивности. За основу в устройствах берётся сердечник, который изготавливается из стали. Он может быть с фильтрами либо без них.

Чтобы влиять на частоту, происходит игра с сопротивлением. В цепи постоянного тока напряжение должно быть неизменным. С целью понижения частоты применяются фильтры. Основная проблема — это малая ёмкость. Чтобы детально ознакомиться с дросселем, стоит подробнее узнать о резонансной частоте, которая выделяется на контуре рабочего сигнала.

Когда в цепях повышается напряжение, на каркас оказывается нагрузка. В цепи постоянного тока задействуются непрозрачные проволочные резисторы. Также для этих целей подходят однослойные катушки типа «универсал». Их особенность — использование ферритовых стержней.

Низкочастотная катушка

Высокочастотные

Устройства изготавливаются с различными типами обмотки. Речь идет о наборе преимуществ, которые спасают в той или иной ситуации. Сфера применения элементов широка, учитывается значительная частота модуляции. Таким образом удается бороться с повышенным сопротивлением металлов. У катушек имеется сердечник.

Основная задача — это модуляция частоты генератора. Она происходит за счёт усиления сигнала, и за процессом можно проследить при подключении осциллографа. Многие высокочастотные катушки не отличаются стабильной работой, поскольку применяется керамический каркас. У него малый срок годности, плюс они восприимчивы к повышенной влажности.

Интересно! Современные товары изготавливаются из алюминия и являются компактными.

Электрикам известны контурные, безконтурные модификации высокой частоты. В зависимости от намотки учитывается стабильность электрических параметров. У моделей высокой частоты могут применяться магниты и провода. Речь идет о порошковых материалах, сделанных из диэлектриков.

Процесс изготовления связан с методом холодного прессования. Индуктивные датчики отличаются по защищенности. На предприятиях элементы могут погружать в раствор либо продевать в трубку. Это делается с целью избежания коротких замыканий. Мировые производители решают проблему путем использование вторичного витка.

Высокочастотная катушка

У моделей значительное сопротивление и есть проблема с концентрацией электролита. Таким образом изменяются свойства катушки индуктивности. Проводимость раствора падает и повышается частота электромагнитного поля.

Проводник с током в магнитном поле

Как ведет себя проводник с током в магнитном поле?

Проводник с током помещенный в магнитное поле начнет двигаться.

Это происходит потому, что взаимодействуют два магнитных поля: внешнее и поле самого проводника.

Движение будет происходить в сторону ослабления магнитно – силовых линий.

Направление силы действующей на проводник с током в магнитном поле определяется правилом левой руки. Магнитные силовые линии входят в ладонь, четыре пальца по направлению тока, отогнутый большой палец покажет направление силы, которая заставляет двигаться проводник.

F = BIL sin a

Сила, выталкивающая проводник с током из магнитного поля равна произведению магнитной индукции В, на силу тока в проводнике I, на длину проводника L и на sin угла между направлением тока и вектором магнитной индукции. Ток должен протекать поперек вектора магнитной индукции, если он будет протекать вдоль вектора магнитной индукции, сила будет равна нулю.

На картинке показано, что если проводник расположен поперек магнитно – силовых линий поля, он показан крестиком уходящего тока, то на него действует сила, которая хочет вытолкнуть его из магнитного поля. Если проводник расположен вдоль магнитно – силовых линий, то на него сила не действует. Любое положение от поперечного до совпадающего, учитывает sin a в формуле силы.