Магнитное поле проводника с током.

При прохождении тока по прямолинейному проводнику вокруг него возникает магнитное поле. Магнитные силовые линии этого поля располагаются по концентрическим окружностям, в центре которых находится проводник с током. Направление магнитного поля вокруг проводника с током всегда находится в строгом соответствии с направлением тока, проходящего по проводнику. Направление магнитных силовых линий можно определить по правилу буравчика. Чем больше ток, проходящий по проводнику, тем сильнее возникающее вокруг него магнитное поле. При изменении направления тока магнитное поле также изменяет свое направление.

По мере удаления от проводника магнитные силовые линии располагаются реже. Следовательно, индукция магнитного поля и его напряженность уменьшаются. Напряженность магнитного поля в пространстве, окружающем проводник,

H = I/(2*3.14*r)

Максимальная напряженность Н_max имеет место на внешней поверхности проводника. Внутри проводника также возникает магнитное поле, но напряженность его линейно уменьшается по направлению от внешней поверхности к оси (кривая 2). Магнитная индукция поля вокруг и внутри проводника изменяется таким же образом, как и напряженность.

Способы усиления магнитных полей. Для получения сильных магнитных полей при небольших токах обычно увеличивают число проводников с током и выполняют их в виде ряда витков; такое устройство называют обмоткой, или катушкой.

При проводнике, согнутом в виде витка, магнитные поля, образованные всеми участками этого проводника, будут внутри витка иметь одинаковое направление. Поэтому интенсивность магнитного поля внутри витка будет больше, чем вокруг прямолинейного проводника. При объединении витков в катушку магнитные поля, созданные отдельными витками, складываются и их силовые линии соединяются в общий магнитный поток. При этом концентрация силовых линий внутри катушки возрастает, т. е. магнитное поле внутри нее усиливается. Чем больше ток, проходящий через катушку, и чем больше в ней витков, тем сильнее создаваемое катушкой магнитное поле. Магнитное поле снаружи катушки также складывается из магнитных полей отдельных витков, однако магнитные силовые линии располагаются не так густо, вследствие чего интенсивность магнитного поля там не столь велика, как внутри катушки. Магнитное поле катушки, обтекаемой током, имеет такую же форму, как и поле прямолинейного постоянного магнита: силовые магнитные линии выходят из одного конца катушки и входят В другой ее конец. Поэтому катушка, обтекаемая током, представляет собой искусственный электрический магнит. Обычно для усиления магнитного поля внутрь катушки вставляют стальной сердечник; такое устройство называется электромагнитом.

Электромагниты нашли чрезвычайно широкое применение в технике. Они создают магнитное поле, необходимое для работы электрических машин, а также электродинамические усилия, требуемые для работы различных электроизмерительных приборов и электрических аппаратов.

Электромагниты могут иметь разомкнутый или замкнутый магнитопровод. Полярность конца катушки электромагнита можно определить, как и полярность постоянного магнита, при помощи магнитной стрелки. К северному полюсу она поворачивается южным концом. Для определения направления магнитного поля, создаваемого витком или катушкой, можно использовать также правило буравчика. Если совместить направление вращения рукоятки с направлением тока в витке или катушке, то поступательное движение буравчика укажет направление магнитного поля. Полярность электромагнита можно определить и с помощью правой руки. Для этого руку надо положить ладонью на катушку и совместить четыре пальца с направлением в ней тока, при этом отогнутый большой палец покажет направление магнитного поля.

Индуктивность

Индуктивностью называется идеализированный элемент электрической цепи, приближающийся по свойствам к индуктивной катушке, в которой накапливается энергия магнитного поля. При этом термин «индуктивность» и соответствующее ему условное обозначение L применяются для обозначения как самого элемента цепи, способного накапливать энергию магнитного поля, так и для количественной оценки отношения потокосцепления самоиндукции к току в данном элементе:

L= Ψ/i

Потокосцеплением самоиндукции цепи называется сумма произведений магнитных потоков, обусловленных только током в этой цепи, умноженной на число витков, с которыми они сцеплены. Если все витки пронизываются одним и тем же магнитным потоком, то потокосцепление равно произведению магнитного потока на число витков.

В международной системе единиц Ψ обозначается в веберах, L – в генри. При этом всегда потокосцепление и ток имеют одинаковый знак, так что L>0.

Зависимость потокосцепления от тока в общем случае нелинейная и параметр L зависит от тока. В случае, когда характеристика Ψ(i) прямолинейная, индуктивность постоянна (линейная индуктивность). На основании закона электромагнитной индукции Фарадея-Максвелла изменение потокосцепления самоиндукции вызывает электродвижущую силу, которая выражается формулой:

e_L = -

L

i

u_L

e_L

Эта э.д.с. противодействует изменению потокосцепления, что и учитывается знаком «минус», поскольку положительное направление для e_L выбрано совпадающим с положительным направлением «i».

Если L не зависит от i, то предыдущая формула принимает вид:

e_L = - L

Величина

U_L= -e_L = L

Называется падением напряжения в индуктивности или напряжением на индуктивности.

Положительное направление U_L совпадает с положительным направлением i. Напряжение на индуктивности пропорционально производной тока по времени.

i = _Ldt

Или

i = _Ldt

Нижний предел интеграла принят равным «- ∞», так как до рассматриваемого момента времени t процесс мог длиться сколь угодно долго.

При t=0 ток в индуктивности равен:

i(0) = _Ldt

следовательно,

i(0) =i(0)+ _Ldt

то есть в интервале времени от нуля до t ток в индуктивности изменяется на величину _Ldt, определяемую площадью, ограниченной в этом интервале кривой напряжения U_L.

Мгновенная мощность, поступающая в индуктивность, равна произведению мгновенных значений напряжений и тока:

р_L= u_Li = L

Она связана с процессом нарастания или убывания энергии магнитного поля. Энергия магнитного поля в произвольный момент времени t определяется по формуле:

W_L = _Ldt = = =

Здесь учтено, что при t(-∞) = 0.

Постоянный и переменный ток в катушке индуктивности.

Термин ТОК СМЕЩЕНИЯ в термодинамике и радиоэлектронике имеет совершенно разный смысл. Впервые этот термин ввел Максвелл при построении теории электромагнитного поля для описания слабых токов, возникающих при смещении заряженных частиц в диэлектриках. Согласно Максвеллу, если всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, то должно существовать и обратное явление: всякое изменение электрического поля должно вызывать появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля. Например, при включении в цепь постоянного тока конденсатора ток в разомкнутом контуре отсутствует. При питании же такого разомкнутого контура от источника переменного напряжения в нём регистрируется переменный ток. Между обкладками заряжающегося и разряжающегося конденсатора имеется переменное электрическое поле, поэтому, согласно Максвеллу, через конденсатор протекает ток смещения, причем в тех участках, где отсутствуют проводники. Подчеркнем, что из всех физических свойств, присущих току проводимости, Максвелл приписал току смещения лишь одно - способность создавать в окружающем пространстве магнитное поле. Этим начинается, этим же и кончается сходство тока смещения с током проводимости.

Если замкнуть ключ, то лампа при постоянном токе гореть не будет: емкость C – разрывает цепь постоянного тока. Но вот в моменты включения лампа будет вспыхивать.

      При переменном токе – лампа горит, но в то же время нам ясно, что электроны из одной обкладки в другую не переходят – между ними изолятор (или вакуум). А вот если бы взять прибор, измеряющий магнитное поле, то в промежутке между обкладками мы обнаружили бы магнитное поле. Для установления количественных соотношений между изменяющимся электрическим полем и вызываемым им магнитным полем Максвелл ввел в рассмотрение ток смещения. Этот термин имеет смысл в таких веществах, как, например, диэлектрики. Там смещаются заряды под действием электрического поля. Но в вакууме зарядов нет – там смещаться нечему, а магнитное поле есть. То есть название Максвелла «ток смещения» – не совсем удачное, но смысл, вкладываемый в него Максвеллом, – правильный.

Максвелл сделал вывод: всякое переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле.

Токи проводимости в проводнике замыкаются токами смещения в диэлектрике или в вакууме. Переменное электрическое поле в конденсаторе создает такое же магнитное поле, как если бы между обкладками существовал ток проводимости, имеющий величину, равную току в металлическом проводнике.

При постоянном токе напряжение на зажимах катушки определится величиной падения напряжения на её сопротивлении и ток во всех точках витков будет одинаковым. При переменном токе изменяющееся магнитное поле будет наводить в витках э.д.с. самоиндукции. Между витками, так же как и между отдельными точками смежных витков, электрическое поле станет переменным. В связи с этим ток в различных витках будет неодинаковым, так как появится ток смещения между витками. Чем выше частота переменного тока, тем больше будут э.д.с. самоиндукции и ток смещения. При низких частотах током смещения можно пренебречь, при высоких частотах ток смещения, обусловленный изменением напряженности электрического поля может быть соизмерим по величине с током проводимости в витках, или даже превышать его. Таким образов в зависимости от выбранного диапазона частот индуктивная катушка может быть представлена либо как сопротивление (при постоянном токе), либо как индуктивность с последовательно включенным сопротивлением (при низких частотах), либо как индуктивность и сопротивление соединенные параллельно с емкостью (при высоких частотах).