Categories: Articles destacats » Electricistes novells
Nombre de visualitzacions: 110313
Comentaris sobre l'article: 4
Inductors i camps magnètics
Després de la història sobre l’ús de condensadors Seria lògic parlar d’un altre representant dels radioelements passius: els inductors. Però la història sobre ells haurà de començar de lluny, per recordar l’existència d’un camp magnètic, perquè és el camp magnètic que envolta i penetra en les bobines, es troba en un camp magnètic, sovint alternant, que funcionen les bobines. En definitiva, aquest és el seu hàbitat.
El magnetisme com a propietat de la matèria
El magnetisme és una de les propietats més importants de la matèria, així com, per exemple, la massa o el camp elèctric. Els fenòmens del magnetisme, però, com l’electricitat, són coneguts des de fa temps, només aleshores la ciència no va poder explicar l’essència d’aquests fenòmens. Un fenomen incomprensible es va anomenar "magnetisme" amb el nom de la ciutat de Magnesia, que abans es trobava a Àsia Menor. Es van obtenir imants permanents a partir de mines properes.
Però els imants permanents en el marc d’aquest article no són especialment interessants. Tan aviat com es va prometre parlar sobre inductors, probablement parlarem d’electromagnetisme, perquè està lluny d’un secret que fins i tot al voltant d’un fil amb corrent hi ha un camp magnètic.
En condicions modernes, és força fàcil investigar el fenomen del magnetisme al nivell inicial, com a mínim. Per fer-ho, cal muntar un circuit elèctric senzill a partir d’una bateria i una bombeta per a una llanterna. Com a indicador del camp magnètic, la seva direcció i intensitat, podeu utilitzar la brúixola habitual.
Camp magnètic de corrent continu
Com ja sabeu, la brúixola mostra la direcció cap al nord. Si col·loqueu els cables del circuit més senzill esmentats anteriorment i engegueu la llum, l’agulla del compàs es desviarà una mica de la seva posició normal.
En connectar una altra bombeta en paral·lel, podeu doblar el corrent al circuit, cosa que fa que l’angle de gir de la fletxa augmenti lleugerament. Això suggereix que el camp magnètic del filferro amb corrent s’ha fet més gran. És sobre aquest principi que funcionen els instruments de mesura de fletxa.
Si la polaritat d’encendre la bateria s’inverteix, l’agulla de la brúixola es convertirà a l’altre extrem - la direcció del camp magnètic dels cables també canvia de direcció. Quan el circuit està apagat, l’agulla del compàs tornarà a la seva posició correcta. No hi ha corrent a la bobina i no hi ha un camp magnètic.
En tots aquests experiments, la brúixola té el paper d’una agulla magnètica de prova, de la mateixa manera que un estudi d’un camp elèctric constant es realitza mitjançant una càrrega elèctrica de prova.
A partir d’experiments tan simples, podem concloure que el magnetisme neix a causa del corrent elèctric: com més fort és aquest corrent, més fortes les propietats magnètiques del conductor. I llavors d’on prové el camp magnètic dels imants permanents, ja que ningú no va connectar la bateria amb cables?
Una investigació científica fonamental ha demostrat que el magnetisme permanent es basa en fenòmens elèctrics: cada electró es troba en el seu propi camp elèctric i té propietats magnètiques elementals. Només en la majoria de substàncies, aquestes propietats es neutralitzen mútuament i, per alguna raó, formen un gran imant.
Per descomptat, de fet, tot no és tan primitiu i senzill, però, en general, fins i tot els imants permanents tenen les seves meravelloses propietats a causa del moviment de les càrregues elèctriques.
I quin tipus de línies magnètiques són?
Les línies magnètiques es poden veure visualment. A l’experiència escolar, a les lliçons de física, s’aboca fitxes metàl·liques sobre un full de cartró i es col·loca un imant permanent a sota. Punxant lleugerament sobre un full de cartró es pot aconseguir la imatge que es mostra a la figura 1.
Figura 1
És fàcil veure que les línies de força magnètiques surten del pol nord i entren al sud, sense trencar-se. Per descomptat, podem dir que és, al contrari, de sud a nord, però és tan acostumat, per tant, de nord a sud. De la mateixa manera que van adoptar una vegada la direcció del corrent de més a menys.
Si, en lloc d’un imant permanent, es passa un filferro de corrent a través d’un cartró, aleshores s’hi mostraran fitxers metàl·lics, el conductor, el camp magnètic. Aquest camp magnètic té la forma de línies circulars concèntriques.
Per estudiar el camp magnètic, podeu fer-ho sense serradures. N’hi ha prou de moure la fletxa magnètica de prova al voltant del conductor actual per veure que les línies de força magnètiques són cercles concèntrics tancats. Si movem la fletxa de prova al costat on el camp magnètic la desvia, tornarem certament al mateix punt des d’on va començar el moviment. De la mateixa manera, com passejant per la Terra: si no aneu a cap lloc sense girar, tard o d'hora arribareu al mateix lloc.
Figura 2
Regla de Gimlet
La direcció del camp magnètic d'un conductor amb corrent està determinada per la regla de la canaleta, una eina per perforar forats en un arbre. Aquí tot és molt senzill: s’ha de girar el ram per tal que el seu moviment de translació coincideixi amb la direcció del corrent al fil, i llavors el sentit de gir del mànec mostrarà cap a on es dirigeix el camp magnètic.
Figura 3
"La corrent procedeix de nosaltres": la creu al centre del cercle és el plomatge d'una fletxa que vola més enllà del pla de la imatge, i on "La corrent ens arriba cap a nosaltres", es mostra la punta de la fletxa que vola darrere del pla del full. Almenys, una explicació d’aquestes designacions es va donar a les lliçons de física a l’escola.
La interacció dels camps magnètics de dos conductors amb el corrent
Figura 4
Si apliquem la regla del fusell a cada conductor, després d’haver determinat la direcció del camp magnètic a cada conductor, podem dir amb seguretat que els conductors amb la mateixa direcció actual s’atrauen i els seus camps magnètics se sumen. Els conductors amb corrents de diferents direccions es repulsen mútuament, el seu camp magnètic es compensa.
Inductor
Si el conductor amb corrent està fet en forma d’anell (bobina), llavors té els seus propis pols magnètics, al nord i al sud. Però el camp magnètic d’un gir sol ser petit. Podeu obtenir resultats molt millors embolicant el fil en forma de bobina. Tal part s'anomena inductor o simplement inductància. En aquest cas, els camps magnètics de les voltes se sumen, reforçant-se mútuament.
Figura 5
La figura 5 mostra com obtenir la suma dels camps magnètics de la bobina. Sembla ser possible alimentar cada volta des de la seva font, tal com es mostra a la Fig. 5.2, però és més fàcil connectar els torns en sèrie (només emboliqueu-los amb un fil).
És força evident que com més voltes té la bobina, més fort serà el seu camp magnètic. A més, el camp magnètic també depèn del corrent a través de la bobina. Per tant, és legítim avaluar la capacitat d’una bobina per crear un camp magnètic simplement multiplicant el corrent a través de la bobina (A) pel nombre de voltes (W). Aquest valor s'anomena amperi-volta.
Bobina principal
El camp magnètic generat per la bobina pot augmentar-se significativament si s’introdueix un nucli de material ferromagnètic a la bobina. La figura 6 mostra una taula amb la relativa permeabilitat magnètica de diverses substàncies.
Per exemple, l'acer transformador farà que el camp magnètic sigui aproximadament 7.7.5 mil vegades més fort que en l'absència d'un nucli. En altres paraules, dins del nucli, el camp magnètic farà girar l’agulla magnètica 7.000 vegades més forta (això només es pot imaginar mentalment).
Figura 6
Les substàncies paramagnètiques i diamagnètiques es troben a la part superior de la taula. La permeabilitat magnètica relativa µ està indicada en relació amb el buit. En conseqüència, les substàncies paramagnètiques milloren lleugerament el camp magnètic, mentre que les substàncies diamagnètiques es debiliten lleugerament.En general, aquestes substàncies no tenen un efecte especial sobre el camp magnètic. Tot i que, a altes freqüències, de vegades es fan servir nuclis de llautó o d'alumini per ajustar els contorns.
A la part inferior de la taula hi ha substàncies ferromagnètiques que milloren significativament el camp magnètic de la bobina amb corrent. Així, per exemple, un nucli d’acer transformador farà que el camp magnètic sigui més fort exactament 7.500 vegades.
Com i com es mesura el camp magnètic
Quan es necessitaven unitats per mesurar quantitats elèctriques, es va prendre com a referència la càrrega d’electrons. Es va formar una unitat molt real i fins i tot tangible a partir de la càrrega d’un electró: un penjoll, i sobre la seva base tot va resultar senzill: ampere, volt, ohm, joule, watt, farad.
I què es pot prendre com a punt de partida per mesurar camps magnètics? D'alguna manera lligar-se al camp magnètic de l'electró és molt problemàtic. Per tant, un conductor s’adopta com a unitat de mesura en el magnetisme, a través del qual flueix un corrent directe d’1 A.
Característiques del camp magnètic
La característica principal és la tensió (H). Es mostra amb quina força actua el camp magnètic sobre el conductor de prova esmentat anteriorment, si es produeix al buit. El buit està pensat per excloure la influència del medi ambient, per tant aquesta característica: la tensió es considera absolutament neta. L’amperi per metre (a / m) es pren com a unitat de tensió. Aquesta tensió apareix a una distància de 16 cm del conductor, al llarg del qual flueix el corrent 1A.
La força del camp només parla de la capacitat teòrica del camp magnètic. La capacitat real d’actuació reflecteix un valor diferent de la inducció magnètica (B). És ella qui mostra la força real amb què el camp magnètic actua sobre un conductor amb un corrent de 1A.
Figura 7
Si un corrent d’1A flueix en un conductor d’1 m de llarg i es fa sortir (atret) amb una força d’1 N (102 G), aleshores diuen que la magnitud de la inducció magnètica en aquest punt és exactament d’1 Tesla.
La inducció magnètica és una quantitat vectorial, a més del valor numèric, també té una direcció que sempre coincideix amb la direcció de l’agulla magnètica de prova al camp magnètic en estudi.
Figura 8
La unitat d’inducció magnètica és Tesla (TL), tot i que a la pràctica s’utilitza sovint una unitat Gauss més petita: 1TL = 10.000G. És molt o poc? El camp magnètic a prop d’un potent imant pot arribar a diverses T, prop de l’agulla magnètica de la brúixola no més de 100 G, el camp magnètic terrestre a prop de la superfície és d’uns 0,01 G o fins i tot inferior.
Flux magnètic
El vector d’inducció magnètica B caracteritza el camp magnètic en un sol punt de l’espai. Per avaluar l'efecte d'un camp magnètic en un espai determinat, s'introdueix un altre concepte, com ara el flux magnètic (Φ).
De fet, representa el nombre de línies d’inducció magnètica que passen per un espai determinat, a través d’una zona: Φ = B * S * cosα. Aquesta imatge es pot representar en forma de gotes de pluja: una línia és una gota (B) i junts és el flux magnètic Φ. Així és com les línies magnètiques de potència de voltes de bobines individuals es connecten en un corrent comú.
Figura 9
Al sistema SI, Weber (Wb) es pren com la unitat de flux magnètic, un flux així es produeix quan una inducció d'1 T actua sobre una superfície d'1 sqm.
Circuit magnètic
El flux magnètic en diversos dispositius (motors, transformadors, etc.), per regla general, passa d’una manera determinada, anomenat circuit magnètic o simplement circuit magnètic. Si el circuit magnètic es tanca (el nucli del transformador d’anells), la seva resistència és petita, el flux magnètic passa sense obstacle, es concentra dins del nucli. La figura següent mostra exemples de bobines amb circuits magnètics tancats i oberts.
Figura 10
Resistència de circuits magnètics
Però el nucli es pot tallar i se’n pot treure una peça, per fer un buit magnètic. Això augmentarà la resistència magnètica general del circuit, per tant, reduirà el flux magnètic i generalment reduirà la inducció a tot el nucli.És el mateix que soldar molta resistència en un circuit elèctric.
Figura 11.
Si el buit resultant es tanca amb un tros d’acer, resulta que es connecta una secció addicional amb una resistència magnètica inferior paral·lela a la bretxa, cosa que restablirà el flux magnètic pertorbat. Això és molt semblant a un shunt en circuits elèctrics. Per cert, també hi ha una llei per al circuit magnètic, que s’anomena llei d’Ohm per al circuit magnètic.
Figura 12.
La part principal del flux magnètic passarà per l’eliminació magnètica. Aquest fenomen s’utilitza en el registre magnètic de senyals d’àudio o de vídeo: la capa ferromagnètica de la cinta cobreix el buit al nucli dels caps magnètics i es tanca tot el flux magnètic a través de la cinta.
La direcció del flux magnètic generat per la bobina es pot determinar mitjançant la regla de la mà dreta: si quatre dits estesos indiquen la direcció del corrent a la bobina, el polze mostrarà la direcció de les línies magnètiques, tal com es mostra a la figura 13.
Figura 13.
Es creu que les línies magnètiques surten del pol nord i van cap al sud. Per tant, el dit polze en aquest cas indica la ubicació del pol sud. Comproveu si és així, podeu tornar a utilitzar l’agulla de la brúixola.
Com funciona el motor elèctric
Se sap que l'electricitat pot crear llum i calor, participar en processos electroquímics. Després de conèixer els fonaments bàsics del magnetisme, podeu parlar de com funcionen els motors elèctrics.
Els motors elèctrics poden tenir un disseny, potència i principi de funcionament molt diferents: per exemple, corrent directe, alternatiu, pas o col·lector. Però, amb tota la varietat de dissenys, el principi de funcionament es basa en la interacció dels camps magnètics del rotor i l'estator.
Per obtenir aquests camps magnètics, el corrent es fa passar per les bobines. Com més gran sigui el corrent i més gran sigui la inducció magnètica d’un camp magnètic extern, més gran serà el motor. Els nuclis magnètics s’utilitzen per reforçar aquest camp, de manera que hi ha tantes peces d’acer en motors elèctrics. Alguns models de motors de corrent continu utilitzen imants permanents.
Figura 14.
Aquí, es pot dir, tot és clar i senzill: van passar un corrent pel filferro, van rebre un camp magnètic. La interacció amb un altre camp magnètic fa que aquest conductor es mogui i fins i tot realitzi treballs mecànics.
El sentit de gir es pot determinar mitjançant la regla de la mà esquerra. Si quatre dits estesos indiquen la direcció del corrent al conductor i les línies magnètiques entren al palmell de la mà, el polze doblegat indicarà la direcció d’expulsió del conductor en un camp magnètic.
Continuació: Inductors i camps magnètics. Part 2. Inducció i inductància electromagnètiques
Consulteu també a electro-ca.tomathouse.com
: