Как найти полярность катушки

согласен, что катушка имеет начало и конец.
Но если взять к примеру вырезку из мануала E.G.O, то там они четко указали + и – катушки.(см. прикрепленный файл) С другой стороны, это может также означать не полярность, а направление намотки катушки.

Понятно что катушки должны быть подключены все одинаково, иначе они будут бить друг против друга. Но вопрос, какую выбрать полярность, направление для всех катушек.

В другом мануале нашел еще одну любопытную запись
If the inductor connections are not correct, the polarity from the
current that goes into the inductor can change and turn in the opposite
direction
It can be observed if we put a cookware above the
combisurface and we can see how are the bubbles that appear.

Что означает:
Если соединения индуктора неправильны, полярность тока проходящего через индуктор, может меняться и поворачиваться в противоположном направлении
направление
Это можно наблюдать, если мы поставим кухонную посуду выше
combisurface, и мы можем видеть, как появляются пузырьки.

Вот интересно, в реальности что же должно происходить с пузырьками?

Добавлено 07-12-2018 11:50

к чему это все пишу.

Есть плита с старым индукционным контроллером E.G.O. К сожалении модели не знаю, все опознавательные знаки стерты. Прикрепляю фото контроллера- диповская плата с двумя процессорами, может кто узнает ее.
 ссылка скрыта от публикации 

И собственно говоря, твориться ерунда с подключениями катушек. Что приводит либо к тому что он посуды не видет, либо через некоторое время работы взрываются IGBT модули.
Вот и приходиться, более глубоко разбираться в вопросе.

Правило определения полярности электромагнита

Правило «Левой руки» с помощью которого можно определить полярность электромагнита, если известно направление тока в его катушке

Просмотр содержимого документа
«Правило определения полярности электромагнита»

ПРАВИЛО ЛЕВОЙ РУКИ ДЛЯ КАТУШКИ С ТОКОМ

Это правило помогает определить полярность электромагнита, когда известно направление тока в его катушке

Правило можно использовать для обратной цели- определения направления тока по известной полярности электромагнита Оно гласит:

• Если взять катушку в левую руку так, чтобы пальцы показывали направление тока в ней, то большой отогнутый палец покажет направление её северного

Источник

Про магнитное поле, соленоиды и электромагниты

Магнитное поле электрического тока

Магнитное поле создается не только естественными или искусственными постоянными магнитами, но и проводником, если по нему проходит электрический ток. Следовательно, существует связь между магнитными и электрическими явлениями.

Убедиться в том, что вокруг проводника, по которому проходит ток, образуется магнитное поле, нетрудно. Над подвижной магнитной стрелке параллельно ей поместите прямолинейный проводник и пропустите через него электрический ток. Стрелка займет положение, перпендикулярное проводнику.

Какие же силы могли заставить повернуться магнитную стрелку? Очевидно, силы магнитного поля, возникшего вокруг проводника. Выключите ток, и магнитная стрелка займет свое обычное положение. Это говорит о том, что с выключением тока исчезло и магнитное поле проводника.

Таким образом, проходящий по проводнику электрический ток создает магнитное поле. Чтобы узнать, в какую сторону отклонится магнитная стрелка, применяют правило правой руки. Если расположить над проводником правую руку ладонью вниз так, чтобы направление тока совпадало с направлением пальцев, то отогнутый большой палец покажет направление отклонения северного полюса магнитной стрелки, помещенной под проводником. Пользуясь этим правилом и зная полярность стрелки, можно определить также направление тока в проводнике.

М агнитное поле прямолинейного проводника имеет форму концентрических кругов. Если расположить над проводником правую руку ладонью вниз так, чтобы ток как бы выходил из пальцев, то отогнутый большой палец укажет на северный полюс магнитной стрелки . Такое поле называется круговым магнитным полем.

Направление силовых линий кругового поля зависит от направления электрического тока в проводнике и определяется так называемым правилом «буравчика» . Если буравчик мысленно ввинчивать по направлению тока, то направление вращения его ручки будет совпадать с направлением магнитных силовых линий поля. Применяя это правило, можно узнать направление тока в проводнике, если известно направление силовых линий поля, созданного этим током.

Возвращаясь к опыту с магнитной стрелкой, можно убедиться в том, что она всегда располагается своим северным концом по направлению силовых линий магнитного поля.

Итак, вокруг прямолинейного проводника, по которому проходит электрический ток, возникает магнитное поле. Оно имеет форму концентрических кругов и называется круговым магнитным полем.

Соленои д. Магнитное поле соленоида

Магнитное поле возникает вокруг любого проводника независимо от его формы при условии, что по проводнику проходит электрический ток.

В электротехнике мы имеем дело с различного рода катушками, состоящими из ряда витков. Для изучения интересующего нас магнитного поля катушки рассмотрим сначала, какую форму имеет магнитное поле одного витка.

Представим себе виток толстого провода, пронизывающий лист картона и присоединенный к источнику тока. Когда через виток проходит электрический ток, то вокруг каждой отдельной части витка образуется круговое магнитное поле. По правилу «буравчика» нетрудно определить, что магнитные силовые линии внутри витка имеют одинаковое направление (к нам или от нас, в зависимости от направления тока в витке), причем они выходят с одной стороны витка и входят в другую сторону. Ряд таких витков, имеющий форму спирали, представляет собой так называемый соленоид (катушку) .

Вокруг соленоида, при прохождении через него тока, образуется магнитное поле. Оно получается в результате сложения магнитных полей каждого витка и по форме напоминает магнитное поле прямолинейного магнита. Силовые линии магнитного поля соленоида, так же как и в прямолинейном магните, выходят из одного конца соленоида и возвращаются в другой. Внутри соленоида они имеют одинаковое направление. Таким образом, концы соленоида обладают полярностью. Тот конец, из которого выходят силовые линии, является северным полюсом соленоида, а конец, в который силовые линии входят, — его южным полюсом.

Полюса соленоида можно определить по правилу правой руки , но для этого надо знать направление тока в его витках. Если наложить на соленоид правую руку ладонью вниз, так чтобы ток как бы выходил из пальцев, то отогнутый большой палец укажет на северный полюс соленоида . Из этого правила следует, что полярность соленоида зависит от направления тока в нем. В этом нетрудно убедиться практически, поднеся к одному из полюсов соленоида магнитную стрелку и затем изменив направление тока в соленоиде. Стрелка моментально повернется на 180°, т. е. укажет на то, что полюсы соленоида изменились.

Соленоид обладает свойством втягивать в себя легкие ж е лезные предметы. Если внутрь соленоида поместить стальной брусок, то через некоторое время под действием магнитного поля соленоида брусок намагнитится. Этот способ применяют при изготовлении постоянных магнитов.

Электромагнит представляет собой катушку (соленоид) с помещенным внутрь нее железным сердечником. Формы и размеры электромагнитов разнообразны, однако общее устройство всех их одинаково.

Катушка электромагнита представляет собой каркас, изготовленный чаще всего из прессшпана или фибры и имеющий различные формы в зависимости от назначения электромагнита. На каркас намотана в несколько слоев медная изолированная проволока — обмотка электромагнита. Она имеет различночисло витков и изготовляется из проволоки различного диаметра, в зависимости от назначения электромагнита.

Для предохранения изоляции обмотки от механических повреждений обмотку покрывают одним или несколькими слоями бумаги или каким-либо другим изолирующим материалом. Начало и конец обмотки выводят наружу и присоединяют к выводным клеммам, укрепленным на каркасе, или к гибким проводникам с наконечниками на концах.

Катушка электромагнита насажена на сердечник из мягкого, отожженного железа или сплавов железа с кремнием, никелем и т. д. Такое железо обладает наименьшим остаточным магнетизмом. Сердечники чаще всего делают составными из тонких листов, изолированных друг от друга. Формы сердечников могут быть различными, в зависимости от назначения электромагнита.

Если по обмотке электромагнита пропустить электрический ток, то вокруг обмотки образуется магнитное поле, которое намагничивает сердечник. Так как сердечник сделан из мягкого железа, то он намагнитится мгновенно. Если затем выключить ток, то магнитные свойства сердечника также быстро исчезнут, и он перестанет быть магнитом. Полюсы электромагнита, как и соленоида, определяются по правилу правой руки. Если в обмотке электромагнита и зм енить направление тока, то в соответствии с этим изменится и полярность электромагнита.

Действие электромагнита подобно действию постоянного магнита. Однако между ними есть большая разница. Постоянный магнит всегда обладает магнитными свойствами, а электромагнит — только тогда, когда по его обмотке проходит электрический ток.

Кроме того, сила притяжения постоянного магнита неизменна , так как неизменен магнитный поток постоянного магнита. Сила же притяжения электромагнита не является величиной постоянной. Один и тот же электромагнит может обладать различной силой притяжения. Сила притяжения всякого магнита зависит от величины его магнитного потока.

С ила притяжения электромагнита , а следовательно, и его магнитный поток зависят от величины тока, проходящего через обмотку этого электромагнита. Чем больше ток, тем больше сила притяжения электромагнита, и, наоборот, чем меньше ток в обмотке электромагнита, тем с меньшей силой он притягивает к себе магнитные тела.

Но для различных по своему устройству и размерам электромагнитов сила их притяжения зависит не только от величины тока в обмотке. Если, например, взять два электромагнита одинакового устройства и размеров, но один с небольшим числом витков обмотки, а другой — с гораздо большим, то нетрудно убедиться, что при одном и том же токе сила притяжения последнего будет гораздо больше. Действительно, чем больше число витков обмотки, тем большее при данном токе создается вокруг этой обмотки магнитное поле, так как оно слагается из магнитных полей каждого витка. Значит, магнитный поток электромагнита, а следовательно, и сила его притяжения будут тем больше, чем большее количество витков имеет обмотка.

Есть еще одна причина, влияющая на величину магнитного потока электромагнита. Это — качество его магнитной цепи. Магнитной цепью называется путь, по которому замыкается магнитный поток. Магнитная цепь обладает определенным магнитным сопротивлением . Магнитное сопротивление зависит от магнитной проницаемости среды, через которую проходит магнитный поток. Чем больше магнитная проницаемость этой среды, тем меньше ее магнитное сопротивление.

Так как м агнитная проницаемость ферромагнитных тел (железа, стали) во много раз больше магнитной проницаемости воздуха, поэтому выгоднее делать электромагниты так, чтобы их магнитная цепь не содержала в себе воздушных участков. Произведение силы тока на число витков обмотки электромагнита называется магнитодвижущей силой . Магнитодвижущая сила измеряется числом ампер-витков.

Например, по обмотке электромагнита, имеющего 1200 витков, проходит ток силой 50 ма. М агнитодвижущая сила такого электромагнита равна 0,05 х 1200 = 60 ампер-витков.

Действие магнитодвижущей силы аналогично действию электродвижущей силы в электрической цепи. Подобно тому как ЭДС является причиной возникновения электрического тока, магнитодвижущая сила создает магнитный поток в электромагните. Точно так же, как в электрической цепи с увеличением ЭДС увеличивается ток в цени, так и в магнитной цепи с увеличением магнитодвижущей силы увеличивается магнитный поток.

Действие магнитного сопротивления аналогично действию электрического сопротивления цепи. Как с увеличением сопротивления электрической цепи уменьшается ток, так и в магнитной цепи увеличение магнитного сопротивления вызывает уменьшение магнитного потока.

Зависимость магнитного потока электромагнита от магнитодвижущей силы и его магнитного сопротивления можно выразить формулой, аналогичной формуле закона Ома: магнитодвижущая сила = (магнитный поток / магнитное сопротивление )

Магнитный поток равен магнитодвижущей силе, деленной на магнитное сопротивление.

Число витков обмотки и магнитное сопротивление для каждого электромагнита есть величина постоянная. Поэтому магнитный поток данного электромагнита изменяется только с изменением тока, проходящего по обмотке. Так как сила притяжения электромагнита обусловливается его магнитным потоком, то, чтобы увеличить (или уменьшить) силу притяжения электромагнита, надо соответственно увеличить (или уменьшить) ток в его обмотке.

Поляризованный электромагнит представляет собой соединение постоянного магнита с электромагнитом. Он устроен таким образом. К полюсам постоянного магнита прикреплены так называемые полюсные надставки из мягкого железа. Каждая полюсная надставка служит сердечником электромагнита , на нее насаживается катушка с обмоткой. Обе обмотки соединяются между собой последовательно.

Так как полюсные надставки непосредственно присоединены к полюсам постоянного магнита, то они обладают магнитными свойствами и при отсутствии тока в обмотках; при этом сила притяжения их неизменна и обусловливается магнитным потоком постоянного магнита.

Действие поляризованного электромагнита заключается в том, что при прохождении тока по его обмоткам сила притяжения его полюсов возрастает или уменьшается в зависимости от величины и направления тока в обмотках. На этом свойстве поляризованного электромагнита основано действие электромагнитных поляризованных реле и других электротехнических устройств .

Действие магнитного поля на проводник с током

Если в магнитное поле поместить проводник так, чтобы он был расположен перпендикулярно силовым линиям поля, и пропустить по этому проводнику электрический ток, то проводник придет в движение и будет выталкиваться из магнитного поля.

В результате взаимодействия магнитного поля с электрическим током проводник приходит в движение, т. е. электрическая энергия превращается в механическую.

Сила, с которой проводник выталкивается из магнитного поля, зависит от величины магнитного потока магнита, силы тока в проводнике и длины той части проводника, которую пересекают силовые линии поля. Направление действия этой силы, т. е. направление движения проводника, зависит от направления тока в проводнике и определяется по правилу левой руки.

Если держать ладонь левой руки так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, а вытянутые четыре пальца были обращены по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление движения проводника . Применяя это правило, надо помнить, что силовые линии поля выходят из северного полюса магнита.

Источник

Отталкивание магнита и катушки с переменным током

Оригинальное название:
«Эксперимент 2020-04-04» Демонстрация отталкивания магнита и катушки с переменным током

Код УДК: 537.6/.8
Код ББК: 22.33

Объектом исследования является сила магнитного взаимодействия катушки с переменным током и постоянного магнита. Вызывает сомнение равенство модуля силы магнитного притяжения и магнитного отталкивания при прочих равных условиях. Высказывается гипотеза, что модуль силы магнитного отталкивания может превышать модуль силы магнитного притяжения. Ставятся цели: 1)обнаружение выраженного отталкивания постоянного магнита на свободном подвесе и катушки БЕЗ сердечника с переменным током; 2)сравнение силы отталкивания магнита от катушки переменного тока с силой отталкивания магнита от катушки постоянного тока. Приводятся измеренные экспериментальные данные в таблицах и графиках, производится оценка эффекта.

Как известно [1, 164], [2, 12] при изучении электромагнетизма и в проектировании электрооборудования расчет силы (электро)магнитного взаимодействия производится по формуле силы Ампера (или по закону Био-Савара). Величина силы пропорциональна силе тока I, что означает смену знака силы при смене направления тока, при этом модуль силы Ампера считается сохраняющимся. Аналогичные рассуждения делаются и по индукции В магнитного поля — изменение направления индукции магнитного поля В изменяет направление силы Ампера, при этом сама величина (модуль) силы Ампера также считается неизменной.

В электродвигателях и электромагнитах этот факт одинаковости сил магнитного притяжения и отталкивания считается очевидным. В электроустановках эти силы, как правило, работают совместно, создавая суммарный эффект.

Однако со строго научной, фундаментальной точки зрения нуждается в экспериментальной (да и теоретической тоже) проверке сама одинаковость сил магнитного притяжения и отталкивания, которая и производится в данной работе.

На основании экспериментальных данных научно обосновано предположение о возможном превышении модуля силы магнитного (электромагнитного) отталкивания над модулем силы магнитного (электромагнитного) притяжения при прочих равных условиях: одинаковых величинах силы тока и одинаковом модуле индукции магнитного поля и одинаковых расстояниях.

Установка в таком виде очень проста и может быть легко воспроизведена на любом подходящем оборудовании любой лаборатории или в домашних условиях. Она прежде всего имеет наглядную цель и лишь впоследствии — научно-исследовательскую. Она состоит из магнита, подвешенного на нити напротив катушки БЕЗ сердечника, линейки для измерения отклонения d магнита и системы питания катушки. Высота подвеса 1 м (погрешность +-0,02 м) используется для расчета силы, отклоняющей магнит. Расстояние от магнита до витков катушки приводится для справки, так как на основе данных работы не предполагается построение физических и математических моделей. Для этой цели необходимо проведение более точных измерений.

Система питания состоит из автотрансформатора (ЛАТРа), понижающего трансформатора (220/24), контрольного амперметра переменного тока (использовался мультиметр), клемм и соединительных проводников.

ЛАТР желателен для плавной регулировки и минимизации переходных процессов включения-выключения тока. Катушка на нити долго колеблется — мягкое добавление тока позволяет уменьшить колебания. Однако эксперимент может быть проведен БЕЗ применения ЛАТРа — отметьте начальное равновесное положение магнита, включите ток и дождитесь успокоения колебаний.

Понижающий трансформатор 220/24 обеспечивает безопасную величину токов и напряжений как для человека, так и для исследуемой катушки. Сопротивление катушки постоянному току получилось примерно 5 Ом и при типичной силе тока 2. 4 ампера требуется напряжение порядка 10. 20 В, поэтому трансформатор нужен на напряжение 24 В. Для желающих повторить эксперимент замечание такое — зажимные-нажимные клеммы начинают «подгорать» при токах около 4 А (это как раз имело место).

Контрольный амперметр желателен, но также вторичен — эксперимент может быть проведен БЕЗ него.

Конечно было интересно пронаблюдать обычное отталкивание магнита в поле катушки постоянного тока, для чего была применена схема питания постоянным током. Поскольку сила взаимодействия оказалась достаточно большой, то был применен балласт (5-10 Ом, имеющиеся под руками другие такие же катушки) для уменьшения силы тока.

Используемый повсеместно переменный ток обладает ценным свойством — его положительная и отрицательная полярности имеют абсолютно совпадающую по модулю величину — и по амплитуде и по протекающему за пол-периода заряду (могут быть лишь случайные, относительно редкие отклонения), что объясняется принципом его трансформации. Именно это важно в данной работе для сравнения сил магнитного притяжения и отталкивания.

При питании электромагнита переменным током постоянный магнит в поле его должен испытывать лишь периодические толчки чередующегося направления с частотой питания сети — 50 Гц. Именно этот принцип и применяется в основе разнообразных электродинамических звуковоспроизводящих устройств (в них как раз магнит неподвижен, а катушка — она обычно намного легче — испытывает колебания под влиянием переменного тока.) При этом согласно действующей общепринятой теории [1, 164], [2, 12] средняя равновесная точка вибрирующего сердечника (если он имеет постоянный магнит) смещаться НЕ должна при включении тока (при условии механической линейности подвеса).

В настоящей установке как раз и используется аналогичная электромеханическая схема. В поле электромагнита переменного тока размещен свободно подвешенный постоянный магнит, который и взаимодействует с равновеликими по модулю чередующимися по направлению силами.

Поскольку магнит взаимодействует с чередующимися силами противоположного направления с катушкой электромагнита, то заметное отклонение магнита в какую-либо сторону от катушки говорит об отличии силы отталкивания от силы притяжения.

Используемые магниты и катушка

Была применена катушка БЕЗ сердечника с числом витков 550, толщиной провода 0,56 мм, внутренним диаметром обмотки 24 мм, наружным — 55 мм, осевой толщиной 14 мм, длина провода оказалась около 68 метров и ее сопротивление постоянному току получилось примерно 5 Ом. Для ее изготовления на 3d-принтере были распечатаны детали каркаса, хотя пробный эксперимент предполагает использование ЛЮБОЙ подходящей катушки (даже бескаркасной). Для крепления использован латунный крепеж, пластиковый кронштейн и планка из дсп — все немагнитное.

Теперь об использованных магнитах и их обозначениях в результатах ниже. Всего было три типоразмера магнитов: один типоразмер — ферритовые от бензонасоса (форма — сегмент цилиндрического слоя); и два — неодимовые с никелевым покрытием (дисковый и цилиндрический).
«1фвыпN» — ферритовый магнит выпуклым «севером» N к катушке;
«2фвыпS» — ферритовый магнит выпуклым «югом» S к катушке;
«3фвогN» — ферритовый магнит вогнутым «севером» N к катушке;
«4фвогS» — ферритовый магнит вогнутым «югом» N к катушке;
«5Днслаб» — неодимовый «слабый» дисковый магнит диаметром 38 мм и толщиной 2х1.5 мм;
«6Днсиль» — неодимовый «сильный» дисковый магнит диаметром 38 мм и толщиной 2х1.5 мм;
«7Цн» — неодимовый цилиндрический магнит диаметром 30 мм и толщиной 2х10 мм.
Для упрощения конструкции ВСЕ магниты использованы по 2 штуки — примагничены два одинаковых сквозь тонкую пластиковую пленку от упаковки, для тонкой регулировки положения пленка к подвеске крепилась медной проволокой, позволяющей ее согнуть и выровнять плоскости, углы, положения и проч.

Видео на ЮТубе
https://youtu.be/06Hq5AeF2sw
Эксперименты со всеми тремя магнитами проводились по одинаковой методике и преследовали простую демонстрационную цель. Для удобства применялись две линейки: одна — для измерения отклонения от положения равновесия, другая — для измерения расстояния от плоскости витков катушки до характерной точки подвески магнита. Сначала линейки устанавливались в удобное положение и осторожно прибавлялось напряжение ЛАТРа, увеличивалась сила тока. Измерялось отклонение магнита от положения равновесия.

В качестве базового при первом измерении был применён именно ферритовый магнит с большим удельным сопротивлением. Это гарантировало отсутствие токов Фуко и отсутствие Ленцевского отталкивания. На неодимовых магнитах величина отклонения по порядку величины соответствовала отклонению ферритовых магнитов, что говорит о слабом влияние токов Фуко в неодимовых магнитах. В последствие предполагается провести специальное измерение Ленцевского эффекта на дисках из алюминия/дюраля.

Для сравнения проводилось измерение отталкивания магнитов постоянным током. Поскольку возникает вопрос о средневыпрямленном и среднеквадратическом значении силы тока, то для измерения использовался амперметр только переменного тока, а в эксперименте с постоянным током использовался выпрямительный мост. Таким образом влияние коэффициента формы (k=1.11) переменного тока оказывалось одинаковым и в измерениях на переменном токе, и в измерениях на постоянном токе. Это позволило вообще не обращать внимание на коэффициент формы при обработке результатов. К этому вопросу мы еще вернемся в будущих статьях.

Поскольку подвешенный магнит вибрировал в поле переменного тока, то для исключения аэродинамического влияния эксперимент был повторен четырежды на ферритовых магнитах — как выпуклой стороной, так и вогнутой стороной к катушке. Во всех случаях наблюдалось устойчивое отклонение магнита от катушки, по порядку величины соответствующее отклонению плоских неодимовых магнитов.

Яндекс-документ (таблица)
https://yadi.sk/i/BaYuvbNXWIvXvQ

Прямая ссылка на HTML-страничку
http://easy-physics.club/sci/2020-04-04-ex1-rezult.html
или в оригинале статьи
http://easy-physics.club/sci/2020-04-04-ex1.html

Во всех форматах имеется 8 страниц, содержащих следующее:
0-ая «0кат» — упрощенный расчет использованной катушки
1-ая «1фвыпN» — результаты измерений и расчетов по ферритовому магниту 1фвыпN;
2-ая «2фвыпS» — —//— по ферритовому магниту 2фвыпS;
3-ая «3фвогN» — —//— по ферритовому магниту 3фвогN;
4-ая «4фвогS» — —//— по ферритовому магниту 4фвогS;
5-ая «5Днслаб» — —//— по неодимовому диску 2х 38х1.5мм;
6-ая «6Днсиль» — —//— по неодимовому диску 2х 38х1.5мм;
7-ая «7Цн» — —//— по неодимовому цилиндру 2х 30х10 мм.

В таблицах результатов (листы 1. 7) перечислим и прокомментируем все колонки по порядку:

A — Контрольное число, см — отсчеты по линейке, закрепленной на катушке. По ней можно определить расстояние от катушки до характерной точки магнита.
B — Отклонение от равновесия, d, мм — отсчеты по линейке, расположенной на полу и на которой «ноль» выставлен на положение равновесия магнита.
C — Расстояние от витков до магнита, мм — разность, вычисленная по колонке A.
D — Сила переменного тока I1, А — измеренная сила переменного тока при данном (колонка B) отклонении от равновесия
E — Сила постоянного тока I0, А — измеренная сила постоянного тока, вызывающая такое же (колонка B) отклонение от равновесия (такую же силу отталкивания).
F — Сила отталкивания Fотт, Н — вычислялась по массе магнита и по отклонению от положения равновесия ( d*m*g/(длину подвеса) ).
G — Относит. величина эффекта I0 / I1 — отношение постоянного тока к переменному току, показывает насколько постоянный ток вызывает большее отталкивание, чем переменный
Остальные колонки оставим пока без комментариев.
Непосредственная оценка силы отталкивания оказалась недостаточно информативна с позиции общности, она зависит от объемных характеристик магнита, его формы, силы намагниченности (Энергии магнитного поля и остаточной индукции магнитного поля, которая сама по себе еще и неоднородна). Оказалось, что простое отклонение от равновесия d и легче воспринимается, и более информативно. Оно автоматически учитывает, что у более тяжелого магнита и энергия магнитного поля больше — отклонение окажется близким у магнитов разного размера-массы и пропорциональным остаточной индукции. Этот вопрос нуждается в более глубокой теоретической проработке, оставим его для будущих статей. В данной статье как основной результат использовано именно отклонение d магнита от положения равновесия.

По измеренным данным построены некоторые зависимости.

Зависимость отклонения магнитов от силы переменного тока d=d(I1)
Рисунок в заголовке статьи, оригинал тут
http://easy-physics.club/sci/2020-04-04-ex1.html
По представленным графикам видно, что ВСЕ магниты показывают уверенное отклонение от катушки. Т.е. можно сделать вывод — постоянные магниты действительно отталкиваются от катушки с переменным током , и, следовательно, сила магнитного отталкивания превышает силу магнитного притяжения в описываемых условиях.
Неодимовые магниты показывают бОльший эффект (линии 5,6,7 идут выше линий 1,2,3,4), что, на первый взгляд, объясняется просто их бОльшей силой намагничивания (бОльшим модулем магнитной индукции), но конечно, нужно в будущем исключить возможное влияние проводимости магнитов (влияние Ленцевского отталкивания).
По ферритовым магнитам вывод пока можно сделать следующий — вогнутая сторона магнита дает немного сильнее эффект (линии 3,4 идут выше линий 1,2), что может объясняться как аэродинамикой, как большей кривизной силовых линий, так и просто разбросом величины их намагниченности — нужны более корректные эксперименты, исключающие аэродинамические эффекты и в которых будет возможность измерить модуль индукции магнитного поля магнита.

Зависимость относительной величины эффекта от отклонения I0 / I1 = f(d)
Оригинал тут
http://easy-physics.club/sci/2020-04-04-ex1.html
Хотелось бы количественно оценить обнаруженный эффект и в качестве меры, некоторой условной единицы, логично использовать стандартную силу электромагнитного взаимодействия. Для этого были проведены вспомогательные калибровочные измерения силы отталкивания магнита и катушки с постоянным током I0 в максимально совпадающих условиях. Далее вычислялась вспомогательная величина I0 / I1 «Относительная величина эффекта», показывающая, насколько постоянный ток I0 влияет сильнее переменного I1 (впоследствии из этой величины можно получить феноменологические коэффициенты «четности»), или «на сколько процентов отталкивание сильнее притяжения».
Здесь представлены зависимости этой величины от отклонения магнита от равновесия — т.е. пространственная относительная оценка эффекта. По зависимостям видно, что с удалением магнита и катушки эффект УВЕЛИЧИВАЕТСЯ! Вывод пока предварительный, но ощущается его важность для построения теории в будущем.
Также можно сделать еще один вывод, что сама разница сил притяжения и отталкивания относительно невелика и составляет 0.6. 1.3%, т.е. вероятность заметить столь малую разницу сил была крайне мала, особенно при использовании приборов с погрешностью 1. 3%! Тем не менее эта разница (и воспроизводимые зависимости ее) имеет фундаментальное значение — из неё следует чётность электромагнитных эффектов.
Впоследствии предполагается это исследование сделать существенно глубже, обширнее, точнее и из него получить данные для математических и физических моделей.

1.Показано отталкивание всех магнитов от катушки с переменным током, что свидетельствует о превышении силы магнитного отталкивания над силой магнитного притяжения для всех видов использованных магнитов и для катушки представленной геометрии. Это подтверждает высказанную в начале статьи гипотезу.

2.Показана пропорциональность отталкивания магнита силе переменного тока в катушке.

3.Относительная величина разности сил отталкивания и притяжения составила 0.6. 1.3% по сравнению со стандартным отталкиванием на постоянном токе (исследованный диапазон расстояний от магнита до плоскости витков составил от 10 до 30 мм, разный для разных магнитов, исследованный диапазон переменных токов составил до 1.6 А).

4.Обнаружено, что относительная величина эффекта возрастает с увеличением расстояния между магнитом и катушкой.

1.Будьте осторожны с силами токов более 3А — многие клеммы очень быстро выходят из строя. Будьте осторожны с ЛАТРами и трансформаторами — напряжение сети 220 В (и даже «низкое» напряжение) опасно!

2.Стальные магниты с «мягкой» петлей намагничивания непригодны, эффект проявляется на ферритовых и неодимовых магнитах с «жесткой», «прямоугольной» петлей.

1.Савельев И.В. Курс общей физики. Том 2. Электричество. Издание 4-е, переработанное. М.: Издательство «Наука». Главная редакция физико-математической литературы, 1970

2.Тихомирова С.А. Физика. 11 класс : учеб. для общеобразоват. учреждений (базовый и профильный уровни) / С. А. Тихомирова, Б. М. Яворский. — 3-е изд., стер. — М. : Мнемозина, 2012. — 303с. : ил.

Оригинал этой статьи был размещен тут
http://easy-physics.club/sci/2020-04-04-ex1.html

Здравствуйте!
Даже в неодимовым магните, помещенном в переменное поле, которое
направлено под углом к оси его намагниченности, возникнут качания
магнитных моментов атомов с частотой внешнего поля. При этом
размагничивания магнита не произойдёт! Эти качания вызовут изменение
со временем магнитного потока через катушку и, как следствие,
наведение в ней дополнительного индукционного тока. Возможно, с полем
этого дополнительного тока магнит так и взаимодействует, хотя, конечно,
нужна подробная модель, а не такие, как у меня сейчас, досужие
рассуждения стоя с планшетом в руке. С уважением —

Однако — можно сделать отдельный эксперимент, где катушка запитана «генератором тока» — от усилителя с большим выходным сопротивлением — типа «два коллектора npn|pnp. Вот вам и простейший набор оборудования для частотного анализа — поверьте, он ПЛАНИРУЕТСЯ! Частота 50 Гц — не останется единственной!

Доброго времени суток! Благодарю! Учтем, в математических моделях ВСЁ значимое будет учитываться. С Уважением.

Портал Проза.ру предоставляет авторам возможность свободной публикации своих литературных произведений в сети Интернет на основании пользовательского договора. Все авторские права на произведения принадлежат авторам и охраняются законом. Перепечатка произведений возможна только с согласия его автора, к которому вы можете обратиться на его авторской странице. Ответственность за тексты произведений авторы несут самостоятельно на основании правил публикации и законодательства Российской Федерации. Данные пользователей обрабатываются на основании Политики обработки персональных данных. Вы также можете посмотреть более подробную информацию о портале и связаться с администрацией.

Ежедневная аудитория портала Проза.ру – порядка 100 тысяч посетителей, которые в общей сумме просматривают более полумиллиона страниц по данным счетчика посещаемости, который расположен справа от этого текста. В каждой графе указано по две цифры: количество просмотров и количество посетителей.

© Все права принадлежат авторам, 2000-2021. Портал работает под эгидой Российского союза писателей. 18+

Источник

Катушки индуктивности и магнитные поля

После рассказа о применении конденсаторов логично было бы рассказать еще об одном представителе пассивных радиоэлементов – катушках индуктивности. Но рассказ о них придется начать издалека, вспомнить о существовании магнитного поля, ведь именно магнитное поле окружает и пронизывает катушки, именно в магнитном поле, чаще всего переменном, катушки и работают. Короче, это их среда обитания.

Магнетизм, как свойство вещества

Магнетизм является одним из важнейших свойств вещества, так же как, например, масса или электрическое поле. Явления магнетизма, впрочем, как и электричества, были известны давно, вот только тогдашняя наука не могла объяснить сути этих явлений. Непонятное явление получило название «магнетизм» по имени города Магнезия, что был когда-то в Малой Азии. Именно из руды, добываемой поблизости, и получались постоянные магниты.

Но постоянные магниты в рамках данной статьи не особо интересны. Коль скоро было обещано рассказать о катушках индуктивности, то речь пойдет, скорее всего, об электромагнетизме, ведь далеко не секрет, что даже вокруг провода с током существует магнитное поле.

В современных условиях исследовать явление магнетизма на начальном, хотя бы уровне, достаточно легко. Для этого надо собрать простейшую электрическую цепь из батарейки и лампочки для карманного фонаря. В качестве индикатора магнитного поля, его направления и напряженности можно воспользоваться обычным компасом.

Магнитное поле постоянного тока

Как известно, компас показывает направление на Север. Если поблизости расположить провода упомянутой выше простейшей схемы, и включить лампочку, то стрелка компаса несколько отклонится от своего нормального положения.

Подключив параллельно еще одну лампочку можно удвоить ток в цепи, отчего угол поворота стрелки несколько увеличится. Это говорит о том, что магнитное поле провода с током стало больше. Именно на таком принципе работают стрелочные измерительные приборы.

Если полярность включения батарейки изменить на обратную, то и стрелка компаса повернется другим концом — направление магнитного поля в проводах также изменилось по направлению. Когда схема будет отключена, стрелка компаса вновь вернется в свое законное положение. Нет тока в катушке, нет и магнитного поля.

Во всех этих опытах компас играет роль пробной магнитной стрелки, подобно тому, как исследование постоянного электрического поля производится пробным электрическим зарядом.

На основе таких простейших опытов можно сделать заключение, что магнетизм появляется на свет благодаря электрическому току: чем этот ток сильней, тем сильнее магнитные свойства проводника. А откуда же тогда берется магнитное поле у постоянных магнитов, ведь к ним батарейку с проводами никто не подключал?

Фундаментальными научными исследованиями доказано, что и постоянный магнетизм основан на электрических явлениях: каждый электрон находится в собственном электрическом поле и обладает элементарными магнитными свойствами. Только в большинстве веществ эти свойства взаимно нейтрализуются, а у некоторых почему-то складываются в один большой магнит.

Конечно, на самом деле все не так примитивно и просто, но, в общем, даже постоянные магниты имеют свои чудесные свойства за счет движения электрических зарядов.

А какие они магнитные линии?

Магнитные линии можно увидеть визуально. В школьном опыте на уроках физики для этого на лист картона насыпаются металлические опилки, а внизу помещается постоянный магнит. Слегка постукивая по листу картона можно добиться картинки, показанной на рисунке 1.

Нетрудно видеть, что магнитные силовые линии выходят из северного полюса и входят в южный, при этом не разрываясь. Конечно, можно сказать, что как раз, наоборот, из южного в северный, но так уж принято, поэтому из северного в южный. Точно так же, как когда-то приняли направление тока от плюса к минусу.

Если вместо постоянного магнита сквозь картонку пропустить провод с током, то металлические опилки покажут его, проводника, магнитное поле. Это магнитное поле имеет вид концентрических круговых линий.

Для исследования магнитного поля можно обойтись и без опилок. Достаточно вокруг проводника с током перемещать пробную магнитную стрелку, чтобы увидеть, что силовые магнитные линии и впрямь представляют собой замкнутые концентрические окружности. Если перемещать пробную стрелку в сторону, куда ее отклоняет магнитное поле, то непременно вернемся в ту же точку, откуда начали движение. Аналогично, как пешком вокруг Земли: если идти никуда не сворачивая, то рано или поздно придешь на то же место.

Правило буравчика

Направление магнитного поля проводника с током определяется по правилу буравчика, — инструмента для сверления отверстий в дереве. Тут все очень просто: буравчик надо вращать так, чтобы его поступательное движение совпадало с направлением тока в проводе, тогда направление вращения рукоятки покажет, куда направлено магнитное поле.

«Ток идет от нас» — крестик в середине круга это оперение стрелы, летящей за плоскость рисунка, а где «Ток идет к нам», показан наконечник стрелы, летящей из-за плоскости листа. По крайней мере, такое объяснение этих обозначений давалось на уроках физики в школе.

Взаимодействие магнитных полей двух проводников с током

Если к каждому проводнику применить правило буравчика, то определив направление магнитного поля в каждом проводнике, можно с уверенностью сказать, что проводники с одинаковым направлением тока притягиваются, а их магнитное поля складываются. Проводники с токами разного направления взаимно отталкиваются, магнитное их поле компенсируется.

Катушка индуктивности

Если проводник с током выполнить в виде кольца (витка), то у него появляются свои магнитные полюса, северный и южный. Но магнитное поле одного витка, как правило, невелико. Гораздо лучших результатов можно добиться, намотав провод в виде катушки. Такую деталь называют катушкой индуктивности или просто индуктивностью. В этом случае магнитные поля отдельных витков складываются, взаимно усиливая друг друга.

На рисунке 5 показано, каким образом можно получить сумму магнитных полей катушки. Вроде бы можно запитать каждый виток от своего источника, как показано на рис. 5.2, но проще соединить витки последовательно (просто намотать одним проводом).

Совершенно очевидно, что чем большее количество витков у катушки, тем сильнее ее магнитное поле. Также магнитное поле зависит и от тока через катушку. Поэтому вполне правомерно оценивать способность катушки создавать магнитное поле просто умножив ток через катушку (А) на количество витков (W). Такая величина так и называется ампер – витки.

Катушка с сердечником

Магнитное поле, создаваемое катушкой, можно значительно увеличить, если внутрь катушки ввести сердечник из ферромагнитного материала. На рисунке 6 показана таблица с относительной магнитной проницаемостью различных веществ.

Например, трансформаторная сталь позволит сделать магнитное поле примерно в 7..7,5 тысяч раз сильней, чем при отсутствии сердечника. Другими словами, внутри сердечника магнитное поле будет вращать магнитную стрелку в 7000 раз сильнее (такое можно только представить мысленно).

В верхней части таблицы разместились парамагнитные и диамагнитные вещества. Относительная магнитная проницаемость µ указана относительно вакуума. Следовательно, парамагнитные вещества немного усиливают магнитное поле, а диамагнитные чуть-чуть ослабляют. В общем, особого влияния на магнитное поле эти вещества не оказывают. Хотя, на высоких частотах для настройки контуров иногда применяются латунные или алюминиевые сердечники.

В нижней части таблицы разместились ферромагнитные вещества, которые значительно усиливают магнитное поле катушки с током. Так, например, сердечник из трансформаторной стали сделает магнитное поле сильнее ровно в 7500 раз.

Чем и как измерить магнитное поле

Когда понадобились единицы для измерения электрических величин, то в качестве эталона взяли заряд электрона. Из заряда электрона была сформирована вполне реальная и даже ощутимая единица – кулон, а на ее основе все оказалось просто: ампер, вольт, ом, джоуль, ватт, фарада.

А что можно взять в качестве отправной точки для измерения магнитных полей? Каким-то образом привязать к магнитному полю электрона весьма проблематично. Поэтому в качестве единицы измерения в магнетизме принят проводник, по которому протекает постоянный ток в 1 А.

Характеристики магнитного поля

Основной такой характеристикой является напряженность (H). Она показывает, с какой силой действует магнитное поле на упомянутый выше пробный проводник, если дело происходит в вакууме. Вакуум предназначается для исключения влияния среды, поэтому эту характеристику – напряженность считают абсолютно чистой. За единицу напряженности принят ампер на метр (а/м). Такая напряженность появляется на расстоянии 16см от проводника, по которому идет ток 1А.

Напряженность поля говорит лишь о теоретической способности магнитного поля. Реальную же способность к действию отражает другая величина магнитная индукция (B). Именно она показывает реальную силу, с которой магнитное поле действует на проводник с током в 1А.

Если в проводнике длиной 1м протекает ток 1А, и он выталкивается (притягивается) с силой 1Н (102Г), то говорят, что величина магнитной индукции в данной точке ровно 1 тесла.

Магнитная индукция величина векторная, кроме численного значения она имеет еще и направление, которое всегда совпадает с направлением пробной магнитной стрелки в исследуемом магнитном поле.

Единицей магнитной индукции является тесла (ТЛ), хотя на практике часто пользуются более мелкой единицей Гаусс: 1ТЛ = 10 000Гс. Много это или мало? Магнитное поле вблизи мощного магнита может достигать нескольких Тл, около магнитной стрелки компаса не более 100Гс, магнитное поле Земли вблизи поверхности примерно 0,01Гс и даже ниже.

Магнитный поток

Вектор магнитной индукции B характеризует магнитное поле лишь в одной точке пространства. Чтобы оценить действие магнитного поля в некотором пространстве вводится еще такое понятие, как магнитный поток (Φ).

По сути дела он представляет собой количество линий магнитной индукции, проходящих через данное пространство, через какую-то площадь: Φ=B*S*cosα. Эту картину можно представить в виде дождевых капель: одна линия это одна капля (B), а все вместе это магнитный поток Φ. Именно так в общий поток соединяются силовые магнитные линии отдельных витков катушки.

В системе СИ за единицу магнитного потока принят Вебер (Вб), такой поток возникает, когда индукция в 1 Тл действует на площади 1 кв.м.

Магнитная цепь

Магнитный поток в различных устройствах (двигатели, трансформаторы и т.п.), как правило, проходит определенным путем, называемым магнитной цепью или просто магнитопроводом. Если магнитная цепь замкнута (сердечник кольцевого трансформатора), то ее сопротивление невелико, магнитный поток проходит беспрепятственно, концентрируется внутри сердечника. На рисунке ниже показаны примеры катушек с замкнутым и разомкнутым магнитопроводами.

Сопротивление магнитной цепи

Но сердечник можно распилить и вытащить из него кусочек, сделать магнитный зазор. Это увеличит общее магнитное сопротивление цепи, следовательно, уменьшит магнитный поток, а в целом уменьшится индукция во всем сердечнике. Это все равно как в электрическую цепь последовательно запаять большое сопротивление.

Если получившийся зазор перекрыть куском стали, то получится, что параллельно зазору подключили дополнительный участок с меньшим магнитным сопротивлением, что и восстановит нарушенный магнитный поток. Это очень напоминает шунт в электрических цепях. Кстати, для магнитной цепи также существует закон, который называют законом Ома для магнитной цепи.

Через магнитный шунт пойдет основная часть магнитного потока. Именно это явление и используется в магнитной записи звуковых или видеосигналов: ферромагнитный слой ленты перекрывает зазор в сердечнике магнитных головок, и весь магнитный поток замыкается через ленту.

Направление магнитного потока, создаваемого катушкой, можно определить, воспользовавшись правилом правой руки: если четыре вытянутых пальца указывают направление тока в катушке, то большой палец покажет направление магнитных линий, как показано на рисунке 13.

Принято считать, что магнитные линии выходят из северного полюса и заходят в южный. Поэтому большой палец в данном случае указывает расположение южного полюса. Проверить так ли это, можно опять же с помощью стрелки компаса.

Как работает электродвигатель

Известно, что электричество может создавать свет и тепло, участвовать в электрохимических процессах. После знакомства с основами магнетизма можно рассказать о том, как работают электродвигатели.

Электродвигатели могут быть самой разной конструкции, мощности и принципа действия: например постоянного и переменного тока, шаговые или коллекторные. Но при всем многообразии конструкций принцип действия основан на взаимодействии магнитных полей ротора и статора.

Для получения этих магнитных полей по обмоткам пропускают ток. Чем больше ток, и чем выше магнитная индукция внешнего магнитного поля, тем мощнее двигатель. Для усиления этого поля используются магнитопроводы, поэтому в электрических двигателях так много стальных деталей. В некоторых моделях двигателей постоянного тока используются постоянные магниты.

Здесь, можно сказать, все понятно и просто: пропустили по проводу ток, получили магнитное поле. Взаимодействие с другим магнитным полем заставляет этот проводник двигаться, да еще и совершать механическую работу.

Направление вращения можно определить по правилу левой руки. Если четыре вытянутых пальца показывают направление тока в проводнике, а магнитные линии входят в ладонь, то отогнутый большой палец укажет направление выталкивания проводника в магнитном поле.

Источник