Индуктор магнитного поля: Индуктор магнитного поля ИМП-О1

локальное уравнение напряженности магнитного поля [2]

( alpha ) — это угол между направлением элемента линии ( ds ) и его соединением ( r ) с точкой ( P ), в которой существует напряженность поля ( dH ).

Напряженность магнитного поля H

Напряженность магнитного поля ( H ) получается путем интегрирования по всей длине проводника.

Контурный интеграл H вдоль замкнутой линии равен полному току через площадь поперек этой замкнутой линии. Напряженность магнитного поля определяется полным током через поверхность, ограниченную линией магнитного поля, и длиной этой линии поля.

Если предположить, что по N дискретным проводникам текут те же токи, что и в случае катушки, уравнение упрощается до: l
I = ток на проводник

Единицей измерения напряженности магнитного поля (Гн) является А/м.

Примеры:

Прямой токопровод

Рис. 5. Напряженность магнитного поля (Н) прямого проводника

Длинный соленоид

Рис. 6. Напряженность магнитного поля H в соленоиде

Тороидальная катушка

Рис. 7. Напряженность магнитного поля H тороидальной катушки

На Рис. 6. показана величина напряженности магнитного поля ( H ) внутри длинного соленоида , зависящего от тока I , длины катушки l и витков обмотки N .

Рис. 8. Напряженность поля в воздухе и i в наконечнике

Пример расчета:
Ферритовая втулка 742 700 9 на проводнике с постоянным током I = 10A

Размеры втулки:
da = 1 7,5 мм; di = 9,5 мм; l = 28,5 мм

Вопрос:
Что такое напряженность поля h2 в воздухе и напряженность поля h3 в наконечнике (по центру проводника) на рис. 8.?
Ответ:
Напряженности поля h2 в воздухе и h3 в наконечнике имеют одинаковую величину. Напряженность поля определяется как:

Индуктор — как он работает

ВСЕ ЕЩЕ В КОНСТРУКЦИИ

Когда эта статья будет готова к публикации, добавьте эту строку обратно в Элементы идеального или реального мира: это вещь.

Когда вы делаете индуктор, цель состоит в том, чтобы создать компонент, который ведет себя как идеальное уравнение индуктора,

$v = \text L \,\dfrac{di}{dt}$

Я вам не говорю почему мы хотим это уравнение. Мы поговорим об этом в другой раз. Сейчас мы хотим построить физический объект, который создает уравнение индуктора $i$-$v$ (ток-напряжение).

Теория работы катушек индуктивности довольно сложна. Чтобы узнать больше об индукторах и магнитных полях, см. раздел о магнитных полях в Khan Academy Physics.

Автор Вилли Макаллистер.

Содержимое

• Сначала немного магнетизма
• Уравнение индуктора $i$-$v$
• Увеличение индуктивности
  • Увеличение индуктивности еще больше
• Индукторный сленг
• Аналог маховика

Во-первых, немного магнетизма

Любой провод, по которому течет ток, создает магнитное поле в окружающей области. Этот важный факт был открыт датским ученым Гансом Кристианом Эрстедом в 1820 году. До того времени все думали, что электричество и магнетизм — это разные вещи. Эрстед показал, что они связаны, и мы называем объединенную концепцию электромагнетизмом .

Красные линии на этих изображениях обозначают магнитное поле. Вот один прямой провод, по которому течет ток $i$. Всякий раз, когда есть ток, линии магнитного поля текут по кругу в пространстве вокруг провода.

Откуда мы знаем, что магнитное поле существует?

Как узнать, есть ли магнитное поле рядом с проводом?
С помощью датчика магнитного поля, конечно.
Вы уже знаете, что это такое, это называется компас.

Если поблизости нет магнитного поля, стрелка компаса совпадает с магнитным полем Земли и указывает на магнитный север. Если вы создаете магнитное поле, стрелка компаса поворачивается и выравнивается с новым полем. Магнитное поле от провода сильнее, чем поле Земли, поэтому оно подавляет его и наклоняет стрелку компаса.

Использование компаса в качестве датчика магнитного поля — пример того, как мы создаем «глаза», чтобы «видеть» невидимое. Электричество и магнетизм невидимы, поэтому мы все время строим разные виды «глаз». Это важный навык. Это одна из причин, по которой люди считают EE волшебниками.

Магнитные линии и правило правой руки

Вы можете заметить, что и токовые, и магнитные линии имеют стрелки. Направление этих стрелок не произвольно; это свойство природы. Если вы знаете одну из стрелок, вы можете вычислить другую, используя правило правой руки.

Используя ПРАВУЮ руку, обхватите пальцами провод так, чтобы большой палец указывал в направлении тока (обычный ток, а не поток электронов). Стрелки линий магнитного поля будут исходить из кончиков ваших пальцев.

Совет для профессионалов: если вы правша, положите карандаш при использовании правила. Самая распространенная ошибка — использовать левую руку для выполнения правила правой руки, которое дает неверный ответ. Если вашей левой руке нужно что-то сделать, используйте ее как провод.

Если вы когда-нибудь заглянете в класс во время теста по электричеству и магнетизму, вы увидите, что все ученики используют это правило. Это выглядит довольно забавно.

Итак, теперь у нас есть нечто, называемое катушкой индуктивности. Это просто прямой провод, но его окружает магнитное поле, вызванное током. Давайте разберемся, почему он следует уравнению индуктора $i$-$v$.

Уравнение индуктора $i$-$v$

Откуда взялось уравнение индуктора $i$-$v$? Вот некоторые наблюдения об эксперименте Эрстеда, а также немного новой информации.

Начнем с наблюдения, что ток (движущийся заряд) создает поблизости магнитное поле.

• изменяющийся ток создает изменяющееся магнитное поле.

• изменяющееся магнитное поле создает в проводе электрическое поле.
  (Это было открытие Майкла Фарадея и Джозефа Генри.)

• Электрическое поле в проводе — это то же самое, что сказать, что есть напряжение.

• Напряжение вызывает движение заряда в проводе, поэтому вы получаете ток.

Вы видите круговой аргумент? Изменение тока приводит к изменению магнитного поля. Изменение магнитного поля создает напряжение, а напряжение создает ток.

Это кажется ужасно сложным.

Если это кажется очень сложным, то и мне так кажется.

Электромагнетизм сложно. Есть несколько причин. Две вещи вносят свой вклад в то, что электромагнетизм трудно понять,

1) Одна сложность заключается в том, что вы получаете напряжение, только если магнитное поле изменяется . Если магнитное поле постоянно (не меняется), вы не получаете ни напряжения, ни тока. Поэтому, если вы просто поднесете магнит к проводу, ничего не произойдет. Это может показаться странным, но это то, что дает нам природа.

2) Другая сложность заключается в том, как магнетизм и электричество взаимодействуют в трехмерном пространстве. Вспомните первое изображение в этой статье с проводом и магнитным полем. Плоскость магнитных линий, окружающих провод, перпендикулярна проводу. Это означает, что вся ваша математика в трех измерениях, и вы должны изучить такие вещи, как правило правой руки и векторные перекрестные произведения. Тяжело все это держать в голове. На самом деле Эрстеду понадобилась удача, чтобы расположить движущийся магнит под правильным углом, прежде чем он понял, что происходит.

Это кажется ужасно сложным.

Если это кажется очень сложным, то и мне так кажется.

Электромагнетизм сложно. Есть пара причин,

1) Одна сложность заключается в том, что вы получаете напряжение, только если магнитное поле изменяется . Если магнитное поле постоянно (не меняется), вы не получаете ни напряжения, ни тока. Поэтому, если вы просто поднесете магнит к проводу, ничего не произойдет. Это может показаться странным, но это то, что дает нам природа.

2) Другая сложность заключается в том, как магнетизм и электричество взаимодействуют в трехмерном пространстве. Вспомните первое изображение в этой статье с проводом и магнитным полем. Плоскость магнитных линий, окружающих провод, перпендикулярна проводу. Это означает, что вся ваша математика находится в трех измерениях. Вы должны изучить такие вещи, как правило правой руки и векторные перекрестные произведения. На самом деле Эрстеду понадобилась удача, чтобы расположить движущийся магнит под правильным углом, прежде чем он понял, что происходит.

Теперь мы можем объяснить ключевой трюк, выполняемый катушкой индуктивности:

изменяющийся ток создает изменяющееся магнитное поле, которое, в свою очередь, создает напряжение. Мы запишем это математически с помощью уравнения, которое вы могли видеть раньше:

$v = \text L \dfrac{di}{dt}$

Изменяющийся ток представлен $di/dt$ в правой части вместе с константа пропорциональности, известная как индуктивность, $\text L$. А с левой стороны появляется напряжение, создаваемое изменяющимся током.

Для короткого прямого провода значение $\text L$ очень мало. Это не очень полезная катушка индуктивности для разработки повседневных схем. Однако, если вы проектируете очень быструю схему (до $\text{ГГц}$), в которой ток изменяется очень быстро (очень высокое значение $di/dt$), то даже небольшое значение $\text L$ короткого провода может повлиять на работу схемы.

Что означает $d$?

$d$ в ${di}/{dt}$ является обозначением из исчисления, это означает дифференциал .
Вы можете думать, что $d$ означает «незначительное изменение в…»

Например, выражение $dt$ означает *небольшое изменение во времени*. Когда вы видите $d$ в соотношении, таком как $di/dt$, это означает «крошечное изменение в $i$ (текущее) на каждое крошечное изменение в $t$ (время)». Выражение, подобное $di/dt$, называется производной, и это то, что вы изучаете в дифференциальном исчислении.

Увеличение индуктивности

Следующим шагом в создании полезной катушки индуктивности является намотка проволоки в форме катушки. Теперь у нас гораздо больше проводов на небольшом пространстве, и мы получаем гораздо больше магнитных линий. Форма катушки заставляет магнитное поле концентрироваться внутри катушки. Так мы получаем большие значения индуктивности $\text L$. Добавление большего количества витков в катушку приводит к увеличению количества магнитных линий в сердечнике, и $\text L$ становится больше.

Каждый отдельный небольшой участок провода по-прежнему имеет те же силовые линии, что и в примере с прямым проводом. В центре катушки все линии поля от всех соседних витков указывают в одном направлении.

Проверьте, можете ли вы использовать Правило правой руки, чтобы убедиться, что стрелки линий магнитного поля на изображениях катушек правильные.

Символ индуктора выглядит следующим образом:

Он выглядит как проволока, намотанная на катушку, так как это обычный способ изготовления индуктора.

Еще большее увеличение индуктивности

Вы можете получить еще большую индуктивность (больше $\text{L}$), поместив магнитный материал внутрь катушки, чтобы еще больше усилить магнитное поле. Этот тороидальный индуктор (тороид означает форму пончика) намотан на сердечник из железа/керамического материала, называемый ферритом . (Ферритовый сердечник не виден, он покрыт медным проводом.)

Ферритовый сердечник концентрирует и усиливает магнитное поле больше, чем просто воздушный сердечник, что увеличивает значение индуктивности, $\text{ л}$.

Сленг индукторов

Иногда можно услышать, как люди говорят, что индуктор «хочет» поддерживать ток. Маленькие моточки проволоки на самом деле не могут ничего «хотеть», но это полезная идея. Это происходит из-за танца между током и магнитным полем. Когда вокруг индуктора создается магнитное поле, оно продолжает проталкивать ток в провод. Ток и магнитное поле усиливающе действуют друг на друга, они индуцируют друг друга. Отсюда и название индуктора.

Аналог маховика

Маховик — это колесо с тяжелым ободом.

Индуктивность в электрической системе аналогична массе в механической системе. Энергия хранится в магнитном поле индуктора так же, как кинетическая энергия хранится в движущейся массе.

Индуктор можно представить как вращающийся маховик. Как только он начнет вращаться, вы не сможете мгновенно остановить вращающийся маховик. В колесе хранится много энергии. Если вы очень быстро крутите велосипедное колесо, а затем хватаете его рукой, колесу требуется некоторое время, чтобы остановиться, и в вашу руку поступает много энергии. Кажется, что колесо «хочет» продолжать движение. Точно так же ток в катушке индуктивности продолжает течь и не меняется в одно мгновение.

Вот еще несколько интересных моментов об электромагнетизме.

• Напряжение, создаваемое изменяющимся магнитным полем, имеет формальное название, оно называется электродвижущей силой , или ЭДС . Вот почему вы часто видите имя переменной $e$ или $\text E$, используемое для представления напряжения.

• Вы знаете, что в результате химических реакций внутри батареи создается напряжение.