Исследования магнитного поля между полюсами электромагнита (Методическое пособие по выполнению лабораторной работы)

Лабораторная работа

№4

“ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ МЕЖДУ ПОЛЮСАМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТА”

ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ МЕЖДУ ПОЛЮСАМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТА

Цель работы

Определить зависимость индукции магнитного поля в промежутке между полюсами электромагнита от тока, который протекает в катушках, размеров этого промежутка и количества витков обмоток электромагнита.

Введение.

Для получения магнитных полей используются электромагниты и постоянные магниты. Электромагниты представляют собой соленоиды с ферромагнитным сердечником. Сердечник выгнут так, что образует почти замкнутую цепь, которая называется ярмом, и существует только узкий воздушный промежуток между полюсами электромагнита.

Вектор магнитной индукции  характеризует среднее магнитное поле, которое создается макротоками и микротоками. Линии вектора  замкнуты, поэтому на границе двух магнетиков они не могут прерываться. Электромагнитные линии  ориентированы перпендикулярно границе сердечник-воздух, и поэтому густота линий  в обеих средах одинакова.

Вектор напряженности магнитного поля в изотропных магнитных средах  

Густота силовых линий вектора  в сердечнике электромагнита и воздушном промежутке различна. Линии вектора  начинаются на северном полюсе магнита, а заканчиваются на южном, т.е. вектор имеет источники на полюсах магнита.

Совокупность точек, вокруг которых расположены замкнутые силовые линии, - это вихри поля. Вихри поля  - это макротоки проводимости и переменное во времени электрическое поле. Вихрями поля B являются макротоки проводимости и переменное во времени электрическое поле и микротоки, обусловленные сложным движением электронов атомов магнетика.

Рассмотрим поведение векторов и  в железном сердечнике электромагнита, который является постоянным магнитом. Предположим, что сперва внешнего тока нет. В этом случае вектор  создается микротоками магнетика. В середине магнетика микротоки практически компенсируют друг друга и только на поверхности создают ток намагничивания. При переходе через боковую поверхность сердечника тангенциальная составляющая вектора  уменьшается до очень малой величины. Поэтому магнитное поле  практически все расположено в сердечнике электромагнита, который выполняет, таким образом, роль магнитопровода. В промежутке между полюсами электромагнита густота силовых линий  почти такая же, как и в сердечнике. Небольшое уменьшение ее обусловлено малым искривлением линий индукции в воздухе, которое возрастает при увеличении длины воздушного промежутка.

Вектор  при отсутствии макротоков и переменного во времени электрического поля не имеет вихрей, но у него есть источники, расположенные на границе магнетика. Линии вектора  начинаются на северном полюсе магнита, а заканчиваются на южном полюсе. В сердечнике векторы  и  направлены навстречу друг другу. В воздушном промежутке они имеют одинаковое направление.

Если теперь по катушкам, намотанным на сердечник, пропустить электрический ток, то поведение вектора  существенно изменится. Пусть поле, которое создается макротоком, совпадает по направлению с направлением поля микротоков магнита. Тогда с ростом силы электрического тока в середине железного сердечника вектор  сперва уменьшится до нуля, а затем, поменяв направление, начинает увеличиваться. Таким образом, при достаточно большой силе электрического тока через катушки, в железном сердечнике вектор  будет ориентирован вдоль .

Для нахождения индукции магнитного поля в промежутке между полюсами электромагнита, воспользуемся законом о циркуляции вектора :

,                                                (1)

где  - макротоки, которые пересекают площадку, окруженную контуром . Если обозначить через  и  соответственно  длину сердечника и воздушного промежутка, то из уравнения (1) получим

,                                           (2)

где  - количество витков катушки электромагнита. Отсюда, используя соотношение,  получим, что магнитная индукция в железном сердечнике электромагнита равна

.                                                    (3)

Магнитная проницаемость воздуха  и  поэтому из уравнения (3) можно получить

.                                                 (4)

Таким образом, индукция магнитного поля  в воздушном зазоре электромагнита пропорциональна току через обмотку электромагнита и числу витков обмотки и уменьшается при увеличении длины воздушного промежутка . На практике с помощью электромагнита с железным сердечником можно получить магнитные поля с индукцией  около 1 Тл. (10⁴ Гс).

Для вычисления величины  воспользуемся измерительной катушкой, которая может свободно двигаться в воздушном промежутке электромагнита. По закону электромагнитной индукции электродвижущая сила , которая появляется в измерительной катушке при быстром вынимании из области магнитного поля, равна:

,                                                       (5)

где  и  - соответственно площадь, и количество витков измерительной катушки. Если к измерительной катушке подключить баллистический гальванометр, то через него потечет ток.