Как определить магнитные полюса соленоида

6.4. Магнитное поле соленоида

Соленоидом называется цилиндрическая катушка, состоящая из большого числа витков провода, образующих винтовую линию (рис. 6.23-1).

Рис. 6.23. Магнитные силовые линии поля: 1 — соленоида; 2 — полосового магнита

Магнитное поле соленоида напоминает поле полосового магнита (рис. 6.23-2).

Если витки намотаны вплотную, то соленоид — это система круговых токов, имеющих одну ось.

Если считать соленоид достаточно длинным, то магнитное поле внутри соленоида однородно и направлено параллельно оси. Вне соленоида вдали от краев магнитное поле также должно иметь направление параллельное оси и на большом расстоянии от соленоида должно быть очень слабым. Поле убывает по закону

Подсчитаем поле внутри соленоида. Возьмем элемент соленоида длиной dh, находящийся на расстоянии h от точки наблюдения. Если катушка имеет n витков на единицу длины, то в выделенном элементе содержится ndh витков. Согласно формуле (6.11), этот элемент создает магнитное поле

Интегрируя по всей длине соленоида, получаем

Таким образом, поле в бесконечно длинном соленоиде дается выражением

На практике соленоиды бесконечно длинными не бывают. Для иллюстрации рассмотрим некоторые примеры.

Пример 1. Найти магнитное поле в середине соленоида конечной длины l (рис. 6.24). Сравнить с полем бесконечно длинного соленоида. При каких условиях разница составляет менее 0,5 %?

Рис. 6.24. Магнитное поле катушки конечной длины
В центре соленоида магнитное поле практически однородно и значительно превышает по модулю поле вне катушки

Решение. Магнитное поле в средней точке оси соленоида конечной длины l дается тем же интегралом (6.19), но с другими пределами интегрирования

Если длина соленоида много больше его диаметра (l >> 2R), мы возвращаемся к формуле для поля в бесконечно длинном соленоиде (6.20). Относительная разница этих двух значений равна

По условию эта разница мала: , то есть мало отношение диаметра соленоида к его длине: 2R/l > R имеем

Этот результат легко понять. Представим себе бесконечный соленоид, который мысленно рассекаем пополам в точке наблюдения. Можно считать, что поле в этой точке создается двумя одинаковыми «полубесконечными» соленоидами, расположенными по разные стороны от нее. Ясно, что при удалении одного из них точка наблюдения становится торцом оставшегося «полубесконечного» соленоида, а магнитная индукция в ней уменьшиться именно в два раза.

Это — так называемый краевой эффект. Пример демонстрирует, что недостаточно выполнения соотношения l >> R, чтобы пользоваться формулами для бесконечно длинного соленоида; надо еще, чтобы точка наблюдения находилась далеко от его концов.

На рис. 6.25 представлен опыт по исследованию распределения силовых линий магнитного поля вокруг соленоида. Поле соленоида, ось которого лежит в плоскости пластинки, сосредоточено в основном внутри соленоида. Силовые линии внутри имеют вид параллельных прямых вдоль оси катушки, а поле снаружи практически отсутствует.

Рис. 6.25. Визуализация силовых линий магнитного поля

Видео 6.1. Силовые линии магнитного поля проводников с током различной формы: прямой ток, соленоид, один виток.

Как определить магнитные полюса соленоида

§ 36. Электромагниты

Круговой проводник с током. Возьмем проводник, согнутый по кругу в виде витка, и пропустим по нему ток (рис. 75). Из чертежа видно, что магнитные линии замыкаются вокруг проводника с током и имеют форму окружностей. Магнитные линии с одной стороны входят в плоскость кругового проводника, с другой – выходят.


Рис. 75. Круговой проводник с током

Направление поля кругового тока можно определить, пользуясь “правилом буравчика”.

Буравчик нужно расположить по оси кругового тока перпендикулярно его плоскости. Если теперь вращать ручку буравчика по направлению тока в контуре, то поступательное движение буравчика покажет направление магнитного поля. Напряженность магнитного поля в центре витка с током определяется по формуле

Переходя к магнитной индукции, имеем

где R – радиус витка;

D – диаметр витка.

Соленоид. Магнитную индукцию поля можно значительно увеличить, если проводнику, по которому пропускают электрический ток, придать форму спирали с большим числом витков. Такая проволочная спираль называется соленоидом (рис. 76, а).


Рис. 76. Соленоид (а) и его магнитное поле (б)

Если мысленно разрезать витки соленоида поперек, обозначить направление тока в них, как было указано выше, и определить направление магнитных линий по “правилу буравчика”, то общее магнитное поле соленоида будет иметь такой вид, как показано на рис. 76, б.

На оси бесконечно длинного соленоида, на каждой единице длины которого намотано ω витков, напряженность поля определяется формулой

В том месте, где магнитные линии имеют направления внутрь соленоида, образуется южный полюс, где они направлены из соленоида – северный.

Для определения полюсов соленоида пользуются “правилом буравчика”, применяя его следующим образом: если расположить буравчик вдоль оси соленоида и вращать его по направлению тока в витках соленоида, то поступательное движение буравчика покажет направление магнитного поля (рис. 77).


Рис. 77. Определение полюсов соленоида

Соленоид, внутри которого находится стальной (железный) сердечник, называется электромагнитом (рис. 78). Магнитное поле у электромагнита значительно сильнее, чем у соленоида, так как кусок стали, вложенный в соленоид, намагничивается и результирующее магнитное поле усиливается. Полюсы у электромагнита можно определить, так же как и у соленоида, по “правилу буравчика”.


Рис. 78. Электромагнит

Магнитный поток электромагнита усиливается с увеличением числа его витков и тока, протекающего по виткам.

Обмотка электромагнита возбуждает (создает) необходимый магнитный поток и поэтому во многих случаях ее называют обмоткой возбуждения.

Электромагниты широко применяются в технике. Они служат для создания магнитного поля в электрических генераторах и двигателях, в электроизмерительных приборах, электрических аппаратах и других устройствах.

К этим устройствам относятся и электромагнитные реле, т. е. приборы или автоматы, реагирующие на изменения тока, напряжения, мощности и т. д.

На рис. 79 представлены некоторые конструкции электромагнитных реле. Работа этих реле основана на взаимодействии магнитного поля, создаваемого неподвижной катушкой, по которой проходит ток, и стального подвижного якоря. При изменении тока в цепи катушки 1 магнитный поток в сердечнике 2 усиливается, и его величина оказывается достаточной для того, чтобы повернуть или втянуть якорь 3. При этом замыкаются контакты К в цепи управления (например, в цепи, отключающей катушки выключателя и т. д.).


Рис. 79. Электромагнитные реле

Реле нашли применение в автоматике, телемеханике, системах электроснабжения.

Индукция магнитного поля. Вихревое поле. Соленоид. Электромагниты.

Вихревое поле.

Линии магнитной индукции являются замкнутыми, это свидетельствует о том, что в природе нет магнитных зарядов. Поля, силовые линии которых замкнуты, называют вихревыми поля­ми. То есть магнитное поле — это вихревое поле. Этим оно отличается от электрического поля, создаваемого зарядами.

Соленоид.

Соленоид — это проволочная спираль с током.

Соленоид характеризуется числом витков на единицу длины n, длиной l и диаметром d. Толщина провода в соленоиде и шаг спирали (винтовой линии) малы по сравнению с его диаметром d и длиной l. Термин «соленоид» применяют и в более широком значении — так называют катушки с произвольным сечением (квадратный соленоид, прямоугольный соленоид), и не обязательно ци­линдрической формы (тороидальный соленоид). Различают длинный соленоид (l d) и короткий соленоид (l ≪ d). В тех случаях, когда соотношение между d и l специально не оговаривается, подразуме­вается длинный соленоид.

Соленоид был изобретен в 1820 г. А. Ампером для усиления открытого X. Эрстедом магнитного действия тока и применен Д. Араго в опытах по намагничиванию стальных стержней. Магнит­ные свойства соленоида были экспериментально изучены Ампером в 1822 г. (тогда же им был вве­ден термин «соленоид»). Была установлена эквивалентность соленоида постоянным природным магнитам, что явилось подтверждением электродинамической теории Ампера, которая объясняла магнетизм взаимодействием скрытых в телах кольцевых молекулярных токов.

Силовые линии магнитного поля соленоида:

Направление этих ли­ний определяют с помощью второго правила правой руки.

Если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по току в витках, то отставленный большой палец укажет направление магнитных линий внутри соленоида.

Сравнив магнитное поле соленоида с полем постоянного магнита (рис. ниже), можно заметить, что они очень похожи.

Как и у магнита, у соленоида есть два полюса — северный (N) и южный (S). Северным полюсом называют тот, из которого магнитные линии выходят; южным полюсом — тот, в который они входят. Северный полюс у соленоида всегда располагается с той стороны, на которую указывает большой палец ладони при ее расположении в соответствии со вторым правилом правой руки.

Соленоид в виде катушки с большим числом витков используют в качестве магнита.

Исследования магнитного поля соленоида показывают, что магнитное действие соленоида увеличивается с увеличением силы тока и числа витков в соленоиде. Кроме того, магнитное действие соленоида или катушки с током усиливается при введении в него железного стержня, который называют сердечником.

Электромагниты.

Соленоид с железным сердечником внутри называется электромагнитом.

Электромагниты могут содержать не одну, а несколько катушек (обмоток) и иметь при этом разные по форме сердечники.

Подобный электромагнит впервые был сконструирован английским изобретателем У. Стердженом в 1825 г. При массе 0,2 кг электромагнит У. Стерджена удерживал груз весом 36 Н. В том же году Дж. Джоуль увеличил подъемную силу электромагнита до 200 Н, а через шесть лет американский ученый Дж. Генри построил электромагнит массой 300 кг, способный удерживать груз массой 1 т!

Современные электромагниты могут поднимать грузы массой несколько десятков тонн. Они используются на заводах при перемещении тяжелых изделий из чугуна и стали. Электромагниты используются также в сельском хозяйстве для очистки зерен ряда растений от сорняков и в дру­гих отраслях промышленности.

Соленоид и электромагнит

Дата публикации: 19 февраля 2015 .
Категория: Статьи.

Соленоид

Соленоидом называется проводник, свитый спиралью, по которому пропущен электрический ток (рисунок 1, а).

Если мысленно разрезать витки соленоида поперек, обозначить направление тока в них, как было указано выше, и определить направление магнитных индукционных линий по “правилу буравчика”, то магнитное поле всего соленоида будет иметь такой вид, как показано на рисунке 1, б.

Рисунок 1. Соленоид (а) и его магнитное поле (б)

Рисунок 2. Компьютерная модель соленоида

На оси бесконечно длинного соленоида, на каждой единице длины которого намотано n0 витков, напряженность магнитного поля внутри соленоида определяется формулой:

В том месте, где магнитные линии входят в соленоид, образуется южный полюс, где они выходят – северный полюс.

Для определения полюсов соленоида пользуются “правилом буравчика”, применяя его следующим образом: если расположить буравчик вдоль оси соленоида и вращать его по направлению тока в витках катушки соленоида, то поступательное движение буравчика покажет направление магнитного поля (рисунок 3).

Рисунок 3. Определение полюсов соленоида Рисунок 4. Электромагнит

Видео про соленоид:

Электромагнит

Соленоид, внутри которого находится стальной (железный) сердечник, называется электромагнитом (рисунок 4 и 5). Магнитное поле у электромагнита сильнее, чем у соленоида, так как кусок стали, вложенный в соленоид, намагничивается и результирующее магнитное поле усиливается. Полюсы у электромагнита можно определить, так же как и у соленоида, по “правилу буравчика”.

Рисунок 5. Катушка электромагнита

Электромагниты широко применяются в технике. Они служат для создания магнитного поля в электрических генераторах и двигателях, в электроизмерительных приборах, электрических аппаратах и тому подобном.

В установках большой мощности для отключения поврежденного участка цепи вместо плавких предохранителей применяются автоматические, масляные и воздушные выключатели. Для приведения в действие отключающих катушек автоматических выключателей применяются различные реле. Реле называются приборы или автоматы, реагирующие на изменение тока, напряжения, мощности, частоты и прочих параметров.

Из большого числа реле, различных по своему назначению, принципу действия и конструкции, кратко рассмотрим устройство электромагнитных реле. На рисунке 6 представлены конструкции этих реле. Работа реле основана на взаимодействии магнитного поля, создаваемого неподвижной катушкой, по которой проходит ток, и стального подвижного якоря электромагнита. При изменении условий работы в цепи главного тока катушка реле возбуждается, магнитный поток сердечника подтягивает (поворачивает или втягивает) якорь, который замыкает контакты цепи, отключающей катушки привода масляных и воздушных выключателей или вспомогательных реле.

Рисунок 6. Электромагнитное реле

Реле нашли себе применение также в автоматике и телемеханике.

Магнитный поток соленоида (электромагнита) увеличивается с увеличением числа витков и тока в нем. Намагничивающая сила зависит от произведения тока на число витков (числа ампер-витков).

Если, например, взять соленоид, по обмотке которого проходит ток 5 А и число витков которого равно 150, то число ампер-витков будет 5 × 150 = 750. Тот же магнитный поток получится если взять 1500 витков и пропустить по ним ток 0,5 А, так как 0,5 × 1500 = 750 ампер-витков.

Увеличить магнитный поток соленоида можно следующими путями: 1) вложить в соленоид стальной сердечник, превратив его в электромагнит; 2) увеличить сечение стального сердечника электромагнита (так как при данных токе, напряженности магнитного поля, и стало быть, магнитной индукции увеличение сечения ведет к росту магнитного потока); 3) уменьшить воздушный зазор сердечника электромагнита (так как при уменьшении пути магнитных линий по воздуху уменьшается магнитное сопротивление).

Видео про электромагнит:

Источник: Кузнецов М. И., “Основы электротехники” – 9-е издание, исправленное – Москва: Высшая школа, 1964 – 560с.

Магнитное поле и его свойства. Магнитная индукция. Сила Ампера. Работа при перемещении проводника в магнитном поле. Намагничивание веществ , страница 10

Как видно, эти поля отличаются только направлением линий индукции. Магнитное поле прямолинейного тока имеет вид концентрических окружностей, расположенных в плоскостях, перпендикулярных к проводнику. Направление линий индукции магнитного поля тока определяются правилом правого винта: Если поступательное движение винта происходит по направлению тока в проводнике, то направление вращения головки винта показывает, направление линий магнитной индукции магнитного поля.

Магнитное поле кругового тока показано на (рис. 6). Направление линий индукции магнитного поля видно по положению магнитной стрелки. Оно определяется с помощью правила правого винта. Заметим, что правило правого винта для кругового тока можно использовать и по другому: если вращать головку винта по направлению тока в контуре, то поступательное движение винта укажет направление линий индукции внутри контура.

Магнитное поле соленоида, представляющего собой катушку с током, показано на рисунке 7, где видно, что внутри соленоида линии индукции параллельны и огибают его с наружной стороны. Направление линий индукции магнитного поля соленоида можно определить по правилу правого винта, как и для кругового тока.

6 Сравнение магнитных свойств соленоида и постоянного магнита

Магнитные полюса контура с током

Сравнивая магнитное поле постоянного полосового магнита с магнитным полем соленоида, можно видеть, что эти поля по внешнему виду одинаковы. Различие между ними имеется только внутри соленоида и магнита.

Магнитные свойства соленоида с током и полосового магнита практически одинаковы. Например, если соленоид подвесить так, чтобы он мог вращаться в горизонтальной плоскости, то он сам устанавливается в направлении с севера на юг.

Это хорошо согласуется с идеей Ампера, согласно которой поле магнита создается микротоками молекул. Все изложенное выше дает право утверждать, что линии индукции поля магнита замкнуты, т. е. продолжаются внутри него так же, как и в соленоиде (рис. 9).

Поскольку магнит имеет полюсы, то можно заключить, что они должны быть и у соленоида. Действительно, если у соленоида с током один конец притягивается к северному полюсу магнита, то другой конец отталкивается от него. Установив по правилу правого винта направление линии индукции, можно определить магнитные полюса соленоида: как и у магнита, линии индукции выходят из соленоида со стороны северного полюса и входят со стороны южного. Так же определяются «полюсы» у контура с током (y него «полюсом» является поверхность, обтекаемая током).

На основании изложенного можно дать следующее определение полюса соленоида или кругового тока: поверхность, которую ток обтекает против часовой стрелки, является северным полюсом, а поверхность, обтекаемая током по часовой стрелке, является южным полюсом (рис. 10а, 10б). Магнитные полюсы катушки указаны на рис. 10в. Полюсы соленоида указаны на рис. 7.

Заметим, что когда на один и тот же контур смотрят с двух противоположных сторон, то для одного наблюдателя ток в контуре идет по часовой стрелке, а для другого – против часовой стрелки. Следовательно, у каждого контура с током обязательно имеются два разных полюса. Таким образом, магнитные полюсы существуют только парами. Никаким путем невозможно получить один магнитный полюс. Если постоянный магнит разломить, то получается два магнита с северным и южным полюсами у каждого (рис. 11).

Рисунок 11 – если разломить постоянный магнит, то каждая часть станет отдельным магнитом

7 Сила взаимодействия параллельных токов. Магнитная проницаемость среды

Силы взаимодействия токов и магнитов в дальнейшем будем называть магнитными. Выясним, чем определяется сила взаимодействия двух параллельных токов (рис. 12).

  • АлтГТУ 419
  • АлтГУ 113
  • АмПГУ 296
  • АГТУ 267
  • БИТТУ 794
  • БГТУ «Военмех» 1191
  • БГМУ 172
  • БГТУ 603
  • БГУ 155
  • БГУИР 391
  • БелГУТ 4908
  • БГЭУ 963
  • БНТУ 1070
  • БТЭУ ПК 689
  • БрГУ 179
  • ВНТУ 120
  • ВГУЭС 426
  • ВлГУ 645
  • ВМедА 611
  • ВолгГТУ 235
  • ВНУ им. Даля 166
  • ВЗФЭИ 245
  • ВятГСХА 101
  • ВятГГУ 139
  • ВятГУ 559
  • ГГДСК 171
  • ГомГМК 501
  • ГГМУ 1966
  • ГГТУ им. Сухого 4467
  • ГГУ им. Скорины 1590
  • ГМА им. Макарова 299
  • ДГПУ 159
  • ДальГАУ 279
  • ДВГГУ 134
  • ДВГМУ 408
  • ДВГТУ 936
  • ДВГУПС 305
  • ДВФУ 949
  • ДонГТУ 498
  • ДИТМ МНТУ 109
  • ИвГМА 488
  • ИГХТУ 131
  • ИжГТУ 145
  • КемГППК 171
  • КемГУ 508
  • КГМТУ 270
  • КировАТ 147
  • КГКСЭП 407
  • КГТА им. Дегтярева 174
  • КнАГТУ 2910
  • КрасГАУ 345
  • КрасГМУ 629
  • КГПУ им. Астафьева 133
  • КГТУ (СФУ) 567
  • КГТЭИ (СФУ) 112
  • КПК №2 177
  • КубГТУ 138
  • КубГУ 109
  • КузГПА 182
  • КузГТУ 789
  • МГТУ им. Носова 369
  • МГЭУ им. Сахарова 232
  • МГЭК 249
  • МГПУ 165
  • МАИ 144
  • МАДИ 151
  • МГИУ 1179
  • МГОУ 121
  • МГСУ 331
  • МГУ 273
  • МГУКИ 101
  • МГУПИ 225
  • МГУПС (МИИТ) 637
  • МГУТУ 122
  • МТУСИ 179
  • ХАИ 656
  • ТПУ 455
  • НИУ МЭИ 640
  • НМСУ «Горный» 1701
  • ХПИ 1534
  • НТУУ «КПИ» 213
  • НУК им. Макарова 543
  • НВ 1001
  • НГАВТ 362
  • НГАУ 411
  • НГАСУ 817
  • НГМУ 665
  • НГПУ 214
  • НГТУ 4610
  • НГУ 1993
  • НГУЭУ 499
  • НИИ 201
  • ОмГТУ 302
  • ОмГУПС 230
  • СПбПК №4 115
  • ПГУПС 2489
  • ПГПУ им. Короленко 296
  • ПНТУ им. Кондратюка 120
  • РАНХиГС 190
  • РОАТ МИИТ 608
  • РТА 245
  • РГГМУ 117
  • РГПУ им. Герцена 123
  • РГППУ 142
  • РГСУ 162
  • «МАТИ» — РГТУ 121
  • РГУНиГ 260
  • РЭУ им. Плеханова 123
  • РГАТУ им. Соловьёва 219
  • РязГМУ 125
  • РГРТУ 666
  • СамГТУ 131
  • СПбГАСУ 315
  • ИНЖЭКОН 328
  • СПбГИПСР 136
  • СПбГЛТУ им. Кирова 227
  • СПбГМТУ 143
  • СПбГПМУ 146
  • СПбГПУ 1599
  • СПбГТИ (ТУ) 293
  • СПбГТУРП 236
  • СПбГУ 578
  • ГУАП 524
  • СПбГУНиПТ 291
  • СПбГУПТД 438
  • СПбГУСЭ 226
  • СПбГУТ 194
  • СПГУТД 151
  • СПбГУЭФ 145
  • СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 379
  • ПИМаш 247
  • НИУ ИТМО 531
  • СГТУ им. Гагарина 114
  • СахГУ 278
  • СЗТУ 484
  • СибАГС 249
  • СибГАУ 462
  • СибГИУ 1654
  • СибГТУ 946
  • СГУПС 1473
  • СибГУТИ 2083
  • СибУПК 377
  • СФУ 2424
  • СНАУ 567
  • СумГУ 768
  • ТРТУ 149
  • ТОГУ 551
  • ТГЭУ 325
  • ТГУ (Томск) 276
  • ТГПУ 181
  • ТулГУ 553
  • УкрГАЖТ 234
  • УлГТУ 536
  • УИПКПРО 123
  • УрГПУ 195
  • УГТУ-УПИ 758
  • УГНТУ 570
  • УГТУ 134
  • ХГАЭП 138
  • ХГАФК 110
  • ХНАГХ 407
  • ХНУВД 512
  • ХНУ им. Каразина 305
  • ХНУРЭ 325
  • ХНЭУ 495
  • ЦПУ 157
  • ЧитГУ 220
  • ЮУрГУ 309

Полный список ВУЗов

  • О проекте
  • Реклама на сайте
  • Правообладателям
  • Правила
  • Обратная связь

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий