Ювелирное обозрение

Качающаяся стрелка создает переменное магнитное поле, индуцирующее в медном футляре вихревые токи, направление которых согласно правилу Ленца таково, что они препятствуют движению стрелки.

При замене медного диска стеклянным или деревянным магнит оставался неподвижным. Магнит также оставался неподвижным, когда в медном диске были сделаны разрезы по направлению его радиусов. Когда разрезы были запаяны, магнит опять приходил в движение. Объясните эти опыты.
При вращении диска в нем возникали вихревые токи, направленные так, что поле магнита тормозит вращение диска. По третьему закону Ньютона равная и противоположно направленная сила действует на магнит и заставляет его вращаться вслед за диском. Если в диске сделать радиальные разрезы, то в нем индуцируются небольшие вихревые токи, оказывающие слабое действие на магнит.

Энергия колебаний в значительной степени расходуется на возбуждение вихревых токов в алюминиевом каркасе катушки и в цепи самой замкнутой катушки прибора.

. от времени, чтобы прибор отвечал своему назначению?
Силы, действующие на металлические опилки, возникают вследствие появления в опилках индукционных токов при изменении магнитного поля электромагнита. При нарастании тока в электромагните опилки в соответствии с правилом Ленца будут выталкиваться из поля, а при убывании тока – притягиваться. Эти силы пропорциональны скорости изменения магнитного поля и соответственно тока. Поэтому ток в электромагните должен медленно нарастать, а затем очень быстро падать до нуля. Примерная зависимость силы тока от времени изображена на рисунке 356.

Нет. Если по обмотке течет переменный ток, то в медной пластинке индуцируются токи Фуко, взаимодействующие с токами в обмотке в соответствии с правилом Ленца.

В медном листе индуцируются токи, магнитное поле которых (по правилу Ленца) противодействует изменению магнитного поля второй катушки. Следовательно, напряжение в первой катушке уменьшится.

. тормозящее действие значительно сильнее тогда, когда кубик подвешен за ушко В. Объясните явление.
Когда кубик подвешен за ушко А, прослойки изоляции между медными листами препятствуют возникновению токов Фуко, тормозящих вращение.

При размыкании цепи.

Когда работает звонок, происходит быстрое замыкание и размыкание цепи. Вследствие возникновения при замыкании ЭДС самоиндукции, направленной против ЭДС генератора тока, и быстрого затем размыкания цепи волосок лампы накаливания не успевает раскалиться. Возникающая при частом размыкании значительная по величине ЭДС самоиндукции поддерживает горение неоновой лампы.

Ток самоиндукции, возникающий при размыкании, заряжает конденсатор и не проходит поэтому в виде искры через рубильник.

. В чем истинная причина постепенности накала нити лампочки?
В медленном разогреве толстого волоска лампы.

. только при размыкании. Объясните явление.
При размыкании цепи первичной катушки индуктора величина тока в ней вследствие самоиндукции изменяется быстрее, чем при замыкании, поэтому во вторичной катушке при размыкании цепи вследствие взаимной индукции создается более высокое напряжение, достаточное для образования искры и при большем расстоянии между электродами катушки.

Действие стабилизатора основано на том, что при изменениях сварочного тока в катушке индуцируется ЭДС самоиндукции, противодействующая этим изменениям.

. худой проводимости длинной проволоки. Искра при открытии цепи будет сильнее, когда длинную соединительную проволоку наматывают на цилиндр в виде спирали, а еще сильнее, когда цилиндр будет железный».
Индуктивность длинной проволоки больше, чем короткой: соленоида – больше, чем прямого проводника, наибольшая индуктивность у электромагнита.

. худой проводимости длинной проволоки. Искра при открытии цепи будет сильнее, когда длинную соединительную проволоку наматывают на цилиндр в виде спирали, а еще сильнее, когда цилиндр будет железный».
Более сильная искра получается при размыкании электромагнита, у которого индуктивность больше, чем у ламп.

Наименьшей индуктивностью обладает первый проводник, а наибольшей – третий.

Уменьшить число витков; вынуть железный сердечник.

. активным сопротивлением включена катушка самоиндукции. В какие виды (в обоих случаях) превращается энергия, затрачиваемая на перемещение проводника?
В первом случае энергия, затрачиваемая на перемещение проводника, превращается целиком во внутреннюю энергию нагревающегося активного сопротивления; во втором случае часть затрачиваемой энергии идет на увеличение энергии магнитного поля, возникающего вокруг катушки самоиндукции.

Во время перемещения груза часть энергии тока расходуется на совершение механической работы. Поэтому на накаливание нити лампы расходуется меньше энергии.

а) Магнитная стрелка поворачивается вблизи провода, по которому пустили ток.
б) Электромагнит притягивает к себе якорь.
в) От электромагнита, по обмотке которого идет ток, отрывают якорь.
г) Постоянный магнит притягивает к себе кусок железа.

Катушки индуктивности с сердечниками

Для уменьшения габаритов и регулирования индуктивности, катушки индуктивности, как правило, применяют совместно с магнитными и немагнитными сердечниками.

Введение в катушку немагнитного сердечника, например из латуни, немного уменьшает индуктивность и добротность катушки и тем са­мым позволяет подстраивать ее индуктивность. Немагнитные сердечники применяют для подстройки индуктивности катушек декаметрового и метрового диапазона (свыше 30 МГц).

Чаще всего в катушках применяют сердечники из магнитных материалов. Индуктивность катушки с магнитным сердечником определяется из соотношения

где L – индуктивность катушки без сердечника; m _отн – относительная магнитная проницаемость сердечника.

Применение магнитного сердечника позволяет уменьшить габариты катушки с заданной индуктивностью за счет умень­ше­ния числа вит­ков или диаметра катушки.

В качестве материалов для изготовления магнитных сердечников чаще всего применяют магнитомягкие Ni-Zn и Mn-Zn ферриты, представляющие сплавы окислов никеля или марганца, цинка и железа. Они характеризуются общей химической формулой

МеО × Me ‘ O × Fe ₂ O ₃ = ( Ме , Me ‘ ) × Fe ₂ O ₄ ,

где Ме – Ni или Mn , Me ‘ – обычно Zn ..

Высокочастотные магнитомягкие ферриты характеризуются вы соким удельным электрическим сопротивлением (порядка 10. 10 5 Ом × м ), малыми потерями на гистерезис и вихревые токи, начальная магнитная проницаемость m _н соста­в­ляет 20 ¼ 1500 единиц, индукция насыщения B _s достигает 0,32 ¼ 0,36 Т. Используют также магнитодиэлектрические сердечники, изготовленные из порошкообразных магнитных материалов – карбонильного железа, ферритов или сплава альсифер . В низкочастотном диапазоне 0,02..0,7 МГц применяют сердечники из альсифера марок ТЧ-90, ТЧК-55, ВЧК-32 и др. Для более высоких частот, до 200 Мгц , в качестве материала сердечника используют карбонильное железо марок Р-10, Р-20, Р-100 или ферритовые порошки марок ВН-60, ВН-220 и др.

При выборе материала сердечника следует учитывать, что эффективность сердечника определяется глубиной х_эф проникновения в поликристаллическое зерно высокочастотного магнитного поля вследствие поверхностного эффекта. Эффективная глубина х_эф рассчитывается по формуле (9.13), в которой величина m заменена на начальную магнитную проницаемость феррита, то есть m = m _н .

Эффек тивная глубина проникновения высокочастотного магнитного поля в феррит снижается c уменьшением удельного сопротивления r , с увеличением начальной магнитной проницаемости m _н материала феррита и с ростом частоты магнитного поля f . Одновременно, вследствие умень­ шения х_эф , также несколько снижается величина начальной магнитной проницаемости материала, которая принимает значение m _эф m _н .

Из сказанного вытекают общие требования к материалам маг нитных сердечников для высокочастотных катушек индуктивности: эти материалы должны обладать высоким электросопротивлением и не высоким значением величины начальной магнитной проницаемости m _н (порядка 50 ¼ 100 единиц).

Характеристикой потерь в ферромагнитных сердечниках высокочастотных катушек является тангенс угла магнитных потерь, tg d_m . Значение тангенса угла магнитных потерь в общем случае определяется соотношением

, (9.22)

где R _m – активное c опротивление потерь в сердечнике, вносимое в общее последовательное сопротивление потерь высокочастотной катушки; w L – реактивное сопротивление катушки.

Цилиндрические сердечники (рис. 9.13, а–г ) – это сердечники марок СЦР (с резьбой), СЦГ (гладкие), СЦТ (трубчатые).

Сердечники с резьбой используются для подстройки катушек, гладкие – для подстройки катушек и для изготовления магнитных антенн, трубчатые – для подстройки в ферро вариометрах . Гладкие и трубчатые сердечники выпускаются только из фер рита.

Относительная магнитная проницаемость цилиндрического сердечника рассчитывается по формуле

При рекомендуемом отношении D _к / D_c = 1,2. 2,5 относительная магнитная проницаемость цилиндрических сердечников-подстроеч­ни­ков из карбо­ниль­ного железа составляет 1,1 ¼ 2. Для сердечников из ферритов значение m _отн больше и достигает 20 ¼ 170. Недостатком цилиндрических сердечников является неэффективное использование магнитных свойств материала сердечника.

Сердечники броневого типа (рис. 9.13, д ) нашли особенно широкое при­менение, поскольку позволяют изготовлять малогабаритные катуш­ки с замкнутой магнитной цепью, характеризующиеся высокой доб­ротностью и стабильностью параметров .Б роневой сердечник состоит из двух половинок (чашек) с центральным керном, в отверстие которого вставляется цилиндрический подстроечник . Обмотку выполняют на отдельной цилин дрической катушке, помещаемой во внутреннюю полость сердечника. Чаш­ки и подстроечник делают из феррита или карбонильного железа.

Для получения необходимых электромагнитных параметров и по вышения стабильности магнитных свойств между чашками в центра­ ль­­ный керн броневого сердечника вводят нормированный зазор длиной l _з = 0,1 ¼ 0,3 мм.

Относительная магнитная проницаемость броневого сердечника рассчитывается по формуле

, (9.24)

где l _з и l_c – длины зазора между чашками и магнитной силовой линии в сердечнике, соответственно.

Длина магнитной силовой линии l_c рассчитывается из геометрических размеров броневого сердечника (рис. 9.13, д ) по формуле

Индуктивность катушки с броневым сердечником рассчитывается по формуле, аналогичной (9.2):

, мкГ , (9.26)

где l_c – см; S _c – площадь сечения магнитной цепи, см 2 ,

. (9.27)

Формулу (9.26) можно записать в виде

где постоянная A_L определяет индуктивность одного витка (коэф­фициент индуктивности [13]):

. (9.29)

Величина коэффициента индуктивности A_L зависит только от m _отн и размеров сердечника. Значения коэффициента А _L приводятся в качестве справочных данных на броневые сердечники.

Кольцевые ( тороидальные ) сердечники представляют собой кольца, изготовленные из ферромагнитных материалов (рис. 9.13, е). Эти сер дечники дают наиболее полное использование магнитных свойств из- за практически полного отсутствия рассеяния магнитного потока, создаваемого катушкой, намотанной на таком сердечнике. Относительная проницаемость кольцевого сердечника примерно равна начальной магнитной проницаемости магнитного материала, то есть m _отн m _н .

Кольцевые сердечники применяют для широкополосных согла сующих трансформаторов, для контуров промежуточной частоты ра диоприемников, для контуров, перестройка частоты которых про изводится подмагничиванием, для высокочастотных дросселей. К не дос­таткам катушек на кольцевых сердечниках относятся невозможность подстрой­ки частоты, а также необходимость применения специального обо­рудования для намотки.

Индуктивность катушки на кольцевом сердечнике прямоугольного сечения (рис. 9.13, е) определяется по формуле

, мкГ , (9.30)

где все размеры выражены в см .

9.4. Влияние экранирования на характеристики

Для устранения паразитных связей, обусловленных внешним электромагнитным полем катушки, и для устранения влияния внешних полей цилиндрические катушки экранируются, то есть помещаются вну­три замкнутого металлического заземленного экрана, как это пока­зано на рис. 9.15, а.

Экранирование высокочастотного электромагнитного поля достигается за счет поверхностного эффекта и быстрого затухания энергии по­ля в приповерхностном слое экрана, который изготавливается из хорошо проводящего электрический ток материала. Экран среднего качества, выполненный, например, в виде алюми­ни­е­вого стакана, уменьшает напряженность внешнего электромагнит­но­го поля в 20. 100 раз, что достаточно для большинства прак­ти­че­ских случаев.

Экран представляет собой короткозамкнутый виток, имеющий индуктивность L _э и сопротивление R_э (рис. 9.15, б), следовательно, между экраном и экранируемой катушкой существует индуктивная связь. Поэтому под влиянием экрана изменяются основные электрические парамет­ры катушки – уменьшается ее индуктивность, а также увеличива­ют­ся сопротивление и соб­ственная емкость. Добротность экранированной катушки оказывается ниже добротности той же катушки при отсут­ствии экрана. Изменение параметров катушки зависит от соотноше­ния между ее размерами и размерами экрана.

Индуктивность экранированной катушки L_{э .к} рассчитывается из выражения

где L – индуктивность неэкранированной катушки; D L _э – индуктивность, “вносимая” экраном в индуктивность катушки; – коэффициент связи между катушкой и экраном, который определяется соотношением геометрических размеров экрана и катушки, величина 0 k _св

Для однослойных и тонких многослойных катушек коэффициент связи может быть определен по формуле

(9.32)

где D _к и D_э – соответственно диаметры катушки и экрана (см. рис. 9.15, а); h – коэффициент, зависящий от отношения , где l – длина намотки катушки. Значения коэффициента h приведены на рис. 9.16.

Присутствие экрана вызывает изменение общего сопротивления катушки R_{э .к} , так как экран вносит в катуш­ку некоторое сопротив­ле­ние D R _э и одновременно ослабляет эффект близости вследствие умень­шения напряженности маг­­нитного по­ля около экра­нирован­ной катушки.

Добротность экранирован­ной катушки выражается соотношением, которое следует из рис. 9.15, б:

. (9.33)

Сопротивление экранированной катушки току высокой частоты без учета вносимого сопротивления равно:

, (9.34)

где использованы те же обозначения, что и в формуле (9.15).

Вносимое сопротивление D R _э может быть определено на основании теории связанных цепей по формуле [13]

. (9.35)

Сопротивление экрана R _э зависит от эффективной глубины проникновения высокочастотного тока, размеров экрана и удельного электросопротивления его стенок. При­ближенно оно равно:

, (9.36)

где r _э – удельное сопротивление материала экрана (2,83 × 10 –6 Ом × см для Al ); p D _э – длина пути вихревого тока, см; x_эф – эффективная глу бина проникновения тока, см, рассчитывается по формуле (9.13); l_эx_эф – активное (проводящее ток) сечение, см 2 .

Подставляя значение R _э из выражения (9.36) с учетом (9.13) в формулу (9.35), получим для вносимого сопротивления D R _э выражение

(9.37)

где частота тока f выражается в Гц .

Уменьшить влияние экрана можно, надев на катушку цилиндр из магнитодиэлектрика или феррита. Такое расположение ослабляет наружное магнитное поле катушки и ее связь с экраном, что обычно и делается для уменьшения наружных размеров экранированной катушки.

Из выражения (9.37) вытекает, что для снижения вносимого сопротивления следует изготавливать электромагнитные экраны из немагнитных, хорошо проводящих электрический ток проводниковых материалов – алюминия, меди или латуни. При этом экран выполняется в виде круглого или прямоугольного стакана, закрепляемого на каркасе катушки. При расчете прямоугольного экрана следует принять, что D _э 1,2a, где а – размер стороны квадрата или наименьшей стороны прямоугольника.

“>