Campo magnetico della bobina con corrente. Elettromagneti e loro applicazione

L'elettromagnetismo è un insieme di fenomeni causati dal collegamento di correnti elettriche e campi magnetici. A volte questo collegamento porta ad effetti indesiderati. Ad esempio, la corrente che scorre attraverso i cavi elettrici sulla nave provoca una deviazione inutile della bussola della nave. Tuttavia, spesso l'elettricità viene usata deliberatamente per creare campi magnetici ad alta intensità. Un esempio sono elettromagneti. Oggi parliamo di loro.

Corrente elettrica e flusso magnetico

L'intensità del campo magnetico può essere determinata dal numero di linee di flusso magnetico, che per area di unità. Un campo magnetico si manifesta ovunque dove scaturisce una corrente elettrica e il flusso magnetico nell'aria è proporzionale a quest'ultimo. Un filo diritto che trasporta una corrente può essere piegato in una bobina. Con un raggio sufficientemente piccolo del turno, questo porta ad un aumento del flusso magnetico. La corrente non aumenta.

L'effetto della concentrazione del flusso magnetico può essere ulteriormente rafforzato aumentando il numero di giri, vale a dire torsione del filo nella bobina. Il contrario è anche vero. Il campo magnetico della bobina con corrente può essere indebolito se si riduce il numero di giri.

Abbiamo una relazione importante. Al punto di massima densità del flusso magnetico (il maggior numero di linee di flusso per area unitaria), il rapporto tra la corrente elettrica I, il numero di giri del filo n e il flusso magnetico B è espresso come segue: In è proporzionale a B. Corrente in 12 A, corrente in bobina di 3 giri , Crea esattamente lo stesso campo magnetico della corrente di 3 A, che attraversa una bobina di 12 giri. È importante conoscere questo problema risolvendo problemi pratici.

solenoide

Una bobina di filo avvolto che crea un campo magnetico è chiamato un solenoide. I fili possono essere avvolti su ferro (nucleo di ferro). È adatta anche una base non magnetica (ad esempio un nucleo d'aria). Come si può vedere, è possibile utilizzare non solo ferro per creare un campo magnetico di una bobina corrente. Dal punto di vista della grandezza del flusso, qualsiasi nucleo non magnetico è equivalente all'aria. Cioè, la relazione precedente relativa alla corrente, al numero di giri e al flusso, in questo caso è abbastanza precisa. Così, il campo magnetico di una bobina con una corrente può essere indebolito applicando questa regolarità.

L'uso del ferro in un solenoide

Perché il ferro è utilizzato nel solenoide? La sua presenza influenza il campo magnetico della bobina corrente in due aspetti. Aumenta l'azione magnetica della corrente, spesso migliaia di volte e più. Tuttavia, può essere violata un'importante relazione proporzionale. Questo è quello che esiste tra il flusso magnetico e la corrente nelle bobine con un nucleo d'aria.

Le regioni microscopiche nella ghiandola, i domini (precisamente i loro momenti magnetici), sotto l'azione del campo magnetico, creata dalla corrente, sono costruiti in una direzione. Di conseguenza, in presenza di un nucleo di ferro, questa corrente crea un flusso magnetico più grande per sezione unitaria del filo. Così, la densità di flusso aumenta notevolmente. Quando tutti i domini sono allineati in una direzione, un ulteriore aumento della corrente (o numero di giri della bobina) aumenta leggermente solo la densità del flusso magnetico.

Parliamo un po 'di induzione. Questa è una parte importante dell'argomento che ci interessa.

Induzione del campo magnetico di una bobina con corrente

Anche se il campo magnetico di un solenoide con un nucleo di ferro è molto più forte del campo magnetico di un solenoide con un nucleo d'aria, la sua grandezza è limitata dalle proprietà del ferro. La dimensione di quella creata dalla bobina con il nucleo dell'aria, teoricamente non ha limiti. Tuttavia, di regola, è molto difficile e costoso ottenere le enormi correnti necessarie per creare un campo comparabile in magnitudine al campo di un solenoide con un nucleo di ferro. Non seguire sempre questo cammino.

Cosa succede se si modifica il campo magnetico della bobina corrente? Questa azione può generare una corrente elettrica nello stesso modo in cui una corrente produce un campo magnetico. Quando il magnete si avvicina al conduttore, le linee magnetiche di forza che attraversano il conduttore inducono una tensione in essa. La polarità della tensione indotta dipende dalla polarità e dalla direzione del cambiamento nel flusso magnetico. Questo effetto è molto più pronunciato nella bobina che in una bobina separata: è proporzionale al numero di giri dell'avvolgimento. In presenza di un nucleo di ferro, aumenta la tensione indotta nel solenoide. Con questo metodo è necessario spostare il conduttore rispetto al flusso magnetico. Se il conduttore non attraversa le linee di flusso magnetico, non ci sarà tensione.

Come ottenere energia

I generatori elettrici producono corrente sulla base degli stessi principi. Di solito il magnete ruota tra le bobine. La grandezza della tensione indotta dipende dalla grandezza del campo del magnete e dalla velocità della sua rotazione (determinano la velocità di variazione del flusso magnetico). La tensione nel conduttore è direttamente proporzionale alla velocità del flusso magnetico in esso.

In molti generatori, il magnete viene sostituito da un solenoide. Per creare una bobina del campo magnetico con una corrente, il solenoide è collegato ad una sorgente di corrente. Che cosa, in questo caso, sarà la potenza elettrica prodotta dal generatore? È uguale al prodotto della tensione alla corrente. D'altra parte, l'interconnessione della corrente nel conduttore e il flusso magnetico consente di utilizzare una corrente generata da una corrente elettrica in un campo magnetico per ottenere un movimento meccanico. Questo principio è seguito da motori elettrici e da alcuni elettrodomestici. Tuttavia, per creare movimento in essi, è necessario spendere ulteriori energia elettrica.

Forti campi magnetici

Attualmente, utilizzando il fenomeno della superconduttività, è possibile ottenere un'intensità senza precedenti del campo magnetico della bobina con corrente. Gli elettromagneti possono essere molto potenti. In questo caso, la corrente scorre senza perdita, cioè non provoca riscaldamento del materiale. Ciò consente di applicare una grande tensione nei solenoidi ausiliari e di evitare i vincoli causati dall'effetto di saturazione. Molte prospettive aprono una tale potente bobina di campo magnetico con corrente. Gli elettromagneti e il loro utilizzo non sono invano interessati a molti scienziati. Dopo tutto, i campi forti possono essere utilizzati per spostarsi su un "cuscino" magnetico e creare nuovi tipi di motori elettrici e generatori. Sono in grado di elevata potenza a basso costo.

L'energia del campo magnetico della bobina con la corrente è attivamente utilizzata dall'umanità. È stata ampiamente utilizzata da molti anni, in particolare sulle ferrovie. A proposito di come vengono utilizzate le linee magnetiche del campo di corrente della bobina per regolare il movimento dei treni, ora parleremo.

Magneti sulle ferrovie

Le ferrovie usano solitamente sistemi in cui, per una maggiore sicurezza, gli elettromagneti ei magneti permanenti si completano a vicenda. Come funzionano questi sistemi? Un forte magnete permanente è fissato vicino alla guida ad una certa distanza dai semafori. Durante il passaggio del treno sopra il magnete, l'asse del magnete piano permanente nella cabina di guida ruota un piccolo angolo, dopo di che il magnete rimane nella nuova posizione.

Regolazione del traffico sulla ferrovia

Il movimento del magnete piatto comprende una campana di segnalazione o una sirena. Quindi succede quanto segue. Dopo un paio di secondi, la cabina del conducente passa sopra l'elettromagnete, collegato ad un semaforo. Se dà il treno una via verde, l'elettromagnete si accende e l'asse del magnete permanente nella vettura si trasforma nella sua posizione originaria, spegnendo il segnale in cabina. Quando la luce rossa o gialla è accesa al semaforo, l'elettromagnete viene disattivata e dopo qualche ritardo il freno si accende automaticamente se, naturalmente, l'operatore ha dimenticato di farlo. Il circuito del freno (così come il segnale acustico) è collegato alla rete dal momento della rotazione dell'asse magnetico. Se il magnete torna alla sua posizione originale durante il ritardo, il freno non si accende.