Как взаимодействуют две катушки с током рис 5: Взаимодействие витков и катушек с токами

Урок по теме «Магнитное поле катушки с током. Электромагнит»

Ход урока

Учитель: Здравствуйте ребята и уважаемые гости. На прошлом занятии мы вспомнили с вами, что магнитное поле порождается электрическим током. А также оно возникает и вокруг постоянных магнитов, и также движущихся электрических зарядов. Дайте, пожалуйста, определение магнитного поля. (Выслушивается ответ ученика).

Вызываю к доске 4 учеников для выполнения домашнего задания, а в это время с остальными проводится фронтальный опрос:

1. В чем заключался опыт Эрстеда, проведенный в 1820г?

2. Почему для изучения магнитного поля можно использовать железные опилки?

3. Как располагаются железные опилки в м.поле прямого тока?

4. Что называют магнитными линиями магнитного поля?

5. Какое направление принимают за направление линий магнитного поля постоянного магнита?

6. Зависит ли направление магнитных линий от направления электрического тока в проводнике?

7. Сформулируйте правило правой руки для прямого тока.

8. Мы знаем с вами, что компас применяется для ориентирования на местности. Свободно вращающаяся вокруг вертикальной оси магнитная стрелка, всегда устанавливается в данном месте Земли в определенном направлении. Этот факт объясняется тем, что вокруг Земли существует магнитное поле

Как вы прокомментируете отрывок из стихотворения португальского писателя Мичела Торга

И были – жажда борьбы и корабельные сосны,

И каравеллами стали сосен стволы.

Они отплывали, ведомы бессонной

Тревогой магнитной иглы.

Как связаны направление магнитной линии и направление свободно установленной магнитной стрелки? О чем идет здесь речь?

Проверяем работы учеников у доски вместе с остальными ребятами. (текст заданий и рисунки см в приложении№1,3)

Объяснение нового материала

На прошлом уроке мы выяснили, что прямой провод с током создает вокруг себя магнитное поле. Но наибольший практический интерес представляет собой магнитное поле катушки с током. Катушка состоит из большого числа витков проволоки, намотанного на деревянный каркас.

Давайте посмотрим следующее взаимодействие

Демонстрации. Подвешивают кольцо для демонстрации магнитного поля кругового тока на нити, включают ток и подносят дугообразный магнит с одной стороны кольца, оно выталкивается или втягивается внутрь магнита.

Демонстрации. Показывают, используя два кольца, подвешивая их на нитях к штативу так, чтобы плоскости колец были параллельны друг другу.

Делаем вывод катушки взаимодействуют. Ведут себя как магниты. Следовательно катушки с током, как и магнитные стрелки, имеют два полюса –северный и южный.

Вокруг катушки с током имеется м.п.

Записываем новую тему: Магнитное поле катушки с током.

Магнитное поле катушки с током можно обнаружить при помощи опилок. Магнитные линии магнитного поля являются замкнутыми кривыми. Принято считать, что вне катушки они направлены от N полюса к S. (документ- камера с соленоидом) или рис в учебнике

Для определения направления этих линий применяют второе правило правой руки: Правой рукой обхватить катушку так, чтобы 4 пальца были направлены по току в витках, тогда большой отставленный палец будет указывать направление линий магнитного поля.

Давайте разберем пару задач на доске, чтобы наглядно представить выполнение этого правила

Дети рисуют в тетрадь

Самостоятельная Работа на местах

1. Определить направление тока в витках.

2. Указать магнитные полюса катушки.

3. Как будет взаимодействовать магнит с проволочным витком с током?

Проверяем работу на экране проектора

Прошу оставить у себя в тетради и дома вклеить.

Катушки с током широко применяют в технике в качестве магнитов. Они удобны тем, что их магнитное действие можно изменять(усиливать или ослаблять) в широких пределах. Давайте мы с вами это и проверим на опыте.

Экспериментальная работа

Перед вами на столе лежит коробочка с лабораторным оборудованием: соблюдая инструкцию, соберем цепь, состоящую из источника питания, реостата, амперметра и катушки. Опишите свои наблюдения.

Вывод: 1. при увеличении тока действие м.п катушки усиливается, при уменьшении-ослабляется.

Когда число металлических скобок наибольшее? При каком условии

N1 меньше N2, N3 больше N1? Значит:

2. Железо, введенное внутрь катушки, усиливает магнитное действие катушки

3. Магнитное действие катушки с током тем сильнее, чембольше число витков в ней

Электромагнит- катушка с железным сердечником внутри. Железо, сталь, никель, кобальт

Соленоид – длинная катушка с током.

Какой результат вы получили, когда разомкнули цепь?

Именно эта особенность, ребята, что магнитные свойства исчезают при прерывании тока, позволила широко применять электромагниты в технике.

На электрических схемах электромагнит изображается таким значком

Техническое применение электромагнитов.

Электромагниты находят широкое применение в технике.

1. На заводах эл. магниты используют для переноски изделий из стали или чугуна, а также стальных и чугунных стружек, слитков.

(Кинофрагмент)

2. Магнитные сепараторы (зерна). Зерно перемешивают с железными опилками, они прилипают к сорнякам, а к гладким зёрнам не прилипают. Зерно высыпают на вращающийся барабан с электромагнитом, к нему притягиваются сорняки. (по рис в учебнике стр 171)

3. Электрический звонок.

При нажатии кнопки цепь звонка замыкается, якорь притягивается к электромагниту и молоточек ударяет по звонковой чаше. При этом контакт с винтом В нарушается, ток в электромагните прекращается и пружина П возвращает якорь в прежнее положение.

(Звонок –на демонстрационном столе) звонок в школе и в квартирах

5.Домофо́н (под этим чаще всего подразумевается Домофонная система — электронная система состоящая из устройств, передающих сигнал от вызывного блока к переговорному устройству.

Один из главных компонентов- Электромеханический замок — представляет собой засов, выдвигаемый с помощью электромагнита

Телеграф

Закрепление учебного материала.

1. Что мы изучили сегодня на уроке?

2. При каких условиях проволочную катушку можно превратить в электромагнит?

3. Перечислите способы усиления магнитного поля катушки с током?

(изменить число витков, силу тока и наличие сердечника)

4. Для каких целей используют магниты на практике?

5. какими преимуществами обладает электромагнит по сравнению с постоянным магнитом? И наоборот

6. Попробуйте вспомнить и сформулировать правило правой руки для катушки с током. Рассмотрим рисунки на слайде и устно прокомментируем их.

Домашнее задание п.59, упр 41. Повторить п.57-60

Приложение№1

№1

На рисунке изображен проволочный прямоугольник, направление тока в нем показано стрелками. Пользуясь правилом буравчика, начертите вокруг каждой из его четырех сторон по одной магнитной линии, указав стрелкой ее направление.

__________________________________________________________________

№4

Ток в проводнике направлен от В к А. Как расположится магнитная стрелка, если замкнуть цепь?

__________________________________________________________________

№5

С магнитной стрелки стерлась синяя и красная краска, которой были покрашены соответственно ее северный и южный полюсы. Чтобы определить полюсы, ее поместили в поле полосового магнита, и она расположилась так, как показано на рисунке. Определите и раскрасьте полюса у стрелки в соответствующие цвета.

__________________________________________________________________

Инструкция для проведения

экспериментальной работы

1. Соберите цепь, подключая последовательно источник питания, амперметр, реостат, катушку.

2. Замкните цепь. С помощью реостата получите в цепи наименьшее значение тока. Запишите показание. I_min =_____

Пронаблюдайте какое количество металлических скобок притянет kатушка, являясь магнитом. Запишите. N₁=____

3. С помощью реостата получите в цепи наибольшее значение тока. Запишите показание. I_max=_____

Пронаблюдайте какое количество металлических скобок притянет в этот раз Катушка. Запишите. N₂=____

4. Не меняя ток в цепи, вставьте в катушку железный стержень. Увеличилось ли значение металлических скобок N₃=___? Измените значение тока, изменилась ли подъемная сила катушки? Что изменится, если вы разомкнете цепь? ______

5. Cделайте общий вывод. Сравните N₁, N₂, N₃

Приложение№3

№1 №2

№3 №4

№5 №6

Укажите направление линий магнитного поля прямого тока

Укажите направление тока в прямом проводе

Электромагнитная индукция. Опыты Фарадея. Электромагнитные колебания и волны

1. Явление электромагнитной индукции было открыто английским ученым Майклом Фарадеем. Если соединить катушку с гальванометром и внести в катушку полосовой магнит северным полюсом, то стрелка гальванометра отклонится, что свидетельствует о существовании в катушке электрического тока. Когда магнит остановится в катушке, то ток прекратится (рис. 95). При выдвижении магнита из катушки в ней вновь появится электрический ток, но он будет иметь противоположное направление. Причиной возникновения электрического тока в катушке, является изменение магнитного поля, пронизывающего эту катушку, которое происходит при движении магнита.

Возможны различные способы изменения магнитного поля, пронизывающего контур проводника. Можно, например, перемещать не магнит, а катушку, т.е. надевать её на магнит. При этом также возникнет индукционный ток. Можно в большую катушку вставить малую катушку. Большую катушку соединить с гальванометром, а малую — с источником постоянного тока. При замыкании и размыкании цепи малой катушки можно наблюдать отклонение стрелки гальванометра. Таким образом, при любом изменении магнитного поля пронизывающего замкнутый проводник, в нём возникает индукционный ток.

Эти и другие опыты показывают, что ток появляется только при изменении магнитного поля, пронизывающего замкнутый проводник.

Явление возникновения тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного поля, пронизывающего контур проводника, называется электромагнитной индукцией. Ток, возникающий в этом случае в цепи, называют индукционным током.

Таким образом, направление индукционного тока в катушке зависит от направления движения магнита.

2. Направление индукционного тока зависит от того, каким полюсом вносят магнит в катушку или выносят из нее, т.е. от направления магнитного поля. Если вносить магнит в катушку не северным полюсом, как это делалось в опыте, описанном выше, а южным полюсом, то стрелка гальванометра отклонится в сторону, противоположную той, в которую она отклонялась при внесении магнита северным полюсом. Направление индукционного тока будет разным в зависимости от того, вносят магнит в катушку или выносят его из катушки. Таким образом, направление индукционного тока зависит от направления движения магнита относительно катушки.

Вносить магнит в катушку можно быстрее и медленнее. Наблюдения позволяют сделать вывод о том, что сила индукционного тока зависит от скорости движения магнита, т.е. от скорости изменения магнитного поля. Сила индукционного тока тем больше, чем больше скорость изменения магнитного поля, пронизывающего контур проводника.

Если в самом проводнике изменяется сила тока, то вокруг проводника существует переменное магнитное поле. Это поле порождает в проводнике индукционный ток, который называется током самоиндукции, а явление возникновения такого тока — явлением самоиндукции.

Значение открытия явления магнитной индукции заключается в том, что в этом явлении наглядно наблюдается связь электрических и магнитных явлений, электрического и магнитного полей, что позволяет говорить о существовании единого электромагнитного поля.

3. Явление электромагнитной индукции лежит в основе работы генератора электрического тока — устройства, которое служит источником электрического тока и в котором происходит преобразование механической энергии в электрическую. Основными частями генератора являются магнит и расположенная между его полюсами насаженная на вал рамка.

Рамка приводится во вращение, пронизывающее её магнитное поле изменяется, и в катушке возникает индукционный ток. Этот ток снимается с рамки с помощью устройства, называемого коллектором, представляющим собой два полукольца, каждое из которых присоединяется к различным концам рамки, и щёток, касающихся колец. Промышленные генераторы имеют более сложное устройство, но все они состоят из вращающейся части (ротора), обычно в промышленном генераторе это электромагнит, создающий вращающееся магнитное поле, и неподвижной части (статора) — обмотки, в которой индуцируется электрический ток.

4. Максвеллом было теоретически показано, а Герцем экспериментально доказано, что изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, в свою очередь переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, т.е. в пространстве происходят изменения (колебания) характеристик электромагнитного поля.

Электромагнитные колебания происходят в колебательной системе, называемой колебательным контуром. Колебательный контур — это электрическая цепь, состоящая из конденсатора и катушки индуктивности (рис. 96).

Если зарядить конденсатор и затем замкнуть его на катушку, то по цепи пойдёт электрический ток. При этом конденсатор начнёт разряжаться. Сначала сила тока в цепи будет увеличиваться, и появится ток самоиндукции, препятствующий увеличению основного тока и направленный против него. Через ½ часть периода конденсатор полностью разрядится, а сила тока в катушке станет максимальной. Затем сила тока начнет уменьшаться. Ток самоиндукции, который при этом возникнет, будет стремиться поддержать основной ток и будет направлен так же, как и он. Через ¼ часть периода ток прекратится, и конденсатор перезарядится. Затем пойдет обратный процесс.

Таким образом, в колебательном контуре происходят электромагнитные колебания, т.е. периодические изменения заряда, силы тока, электрического и магнитного полей. Колебания, происходящие в колебательном контуре, благодаря начальному запасу энергии в конденсаторе называются свободными. В процессе колебаний энергия извне в контур не поступает.

Минимальный промежуток времени, через который процесс в колебательном контуре полностью повторяется, называется периодом ​\( (T) \)​ электромагнитных колебаний. За период колебаний заряд на обкладках конденсатора изменяется от максимального значения до следующего максимального значения того же знака, или сила тока изменяется от максимального значения до следующего максимального значения при том же направлении тока.

Характеризуя электромагнитные колебания, часто говорят об их частоте. Частотой ​\( (\nu) \)​ колебаний называют число полных колебаний в одну секунду. Частота обратна периоду колебаний

Единицей частоты является 1 Гц. Частоту электромагнитных колебаний часто измеряют в килогерцах (1 кГц = 1000 Гц) и в мегагерцах (1 МГц = 1 000 000 Гц).

5. Подобно тому как механические колебания распространяются в пространстве в виде механических волн, электромагнитные колебания распространяются в пространстве в виде электромагнитных волн. Многочисленные эксперименты показывают, что электрическое и магнитное поля взаимосвязаны. Если в какой-либо точке пространства возникает переменное электрическое поле, то в соседних точках оно возбуждает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, возбуждает переменное электрическое поле и т.д. Таким образом, можно говорить об электромагнитном поле. Это поле и распространяется в пространстве.

Процесс распространения периодически изменяющегося электромагнитного ноля представляет собой электромагнитные волны.

Электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью 300 000 км/с. Они характеризуются определённой длиной волны ​\( \lambda \)​. Длина волны — это расстояние, на которое перемещается электромагнитная волна за время, равное периоду колебаний ​\( (T) \)​. ​\( \lambda=cT \)​ или \( \lambda=c/\nu \), где ​\( c \)​ — скорость распространения электромагнитной волны, ​\( \nu \)​ — частота колебаний.

6. Электрически заряженные частицы могут колебаться с различной частотой. Соответственно, излучаемые при этом электромагнитные волны имеют разную длину волны. Поэтому диапазон частот электромагнитных волн очень широк: он лежит в пределах от 0 до 10²² Гц, а длина волны — в пределах от 10^-14 м до бесконечности. По длине волны или по частоте электромагнитные волны можно разделить на восемь диапазонов. Обладая рядом общих свойств (интерференция, дифракция), волны разной частоты имеют и специфические свойства.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. В катушку, соединённую с гальванометром, вносят магнит. Направление индукционного тока зависит

А. От скорости перемещения магнита.
Б. От того, каким полюсом вносят магнит в катушку.

Правильный ответ

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

2. В катушку, соединённую с гальванометром, вносят магнит. Сила индукционного тока зависит

А. от скорости перемещения магнита
Б. от того, каким полюсом вносят магнит в катушку

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

3. Постоянный магнит вносят в катушку, замкнутую на гальванометр (см. рисунок).

Если выносить магнит из катушки с большей скоростью, то показания гальванометра будут примерно соответствовать рисунку

4. Две одинаковые катушки замкнуты на гальванометры. В катушку А вносят полосовой магнит, а из катушки Б вынимают такой же полосовой магнит. В какой катушке гальванометр зафиксирует индукционный ток?

1) только в катушке А
2) только в катушке Б
3) в обеих катушках
4) ни в одной из катушек

5. В первом случае магнит вносят в сплошное эбонитовое кольцо, а во втором случае выносят из сплошного медного кольца (см. рисунок).

Индукционный ток

1) возникает только в эбонитовом кольце
2) возникает только в медном кольце
3) возникает в обоих кольцах
4) не возникает ни в одном из колец

6. Внутри катушки, соединённой с гальванометром, находится малая катушка, подключённая к источнику постоянного тока. В каком из перечисленных опытов гальванометр зафиксирует индукционный ток?

А. В малой катушке выключают электрический ток.
Б. Малую катушку вынимают из большой.

1) только в опыте А
2) только в опыте Б
3) в обоих опытах
4) ни в одном из опытов

7. Внутри катушки, соединённой с гальванометром, находится малая катушка, подключённая к источнику тока. Первую секунду от начала эксперимента малая катушка неподвижна внутри большой катушки. Затем в течение следующей секунды её вынимают из большой катушки. Третью секунду малая катушка находится вне большой катушки. В течение четвертой секунды малую катушку вдвигают в большую. В какой(-ие) промежуток(-ки) времени гальванометр зафиксирует появление индукционного тока?

1) только 0-1 с
2) 1 с-2 с и 3 с-4 с
3) 0-1 с и 2 с-3 с
4) только 1 с-2 с

8. Внутри катушки, соединённой с гальванометром, находится малая катушка, подключённая к источнику тока. Оси катушек совпадают. Первую секунду от начала эксперимента малая катушка неподвижна внутри большой катушки. Затем в течение следующей секунды её вращают относительно вертикальной оси по часовой стрелке. Третью секунду малая катушка вновь остаётся в покое. В течение четвёртой секунды малую катушку вращают против часовой стрелки. В какие промежутки времени гальванометр зафиксирует появление индукционного тока в катушке?

1) индукционный ток может возникнуть в любой промежуток времени
2) индукционный ток возникнет в промежутках времени 1-2 с, 3-4 с
3) индукционный ток не возникнет ни в какой промежуток времени
4) индукционный ток возникнет в промежутках времени 0-1 с, 2-3 с

9. К электромагнитным волнам относятся:

A. Волны на поверхности воды.
Б. Радиоволны.
B. Световые волны.

Укажите правильный ответ.

1) только А
2) только Б
3) только В
4) Б и В

10. Какие из приведённых ниже формул могут быть использованы для определения скорости электромагнитной волны?

A. ​\( v=\lambda\nu \)​
Б. \( v=\frac{\lambda}{\nu} \)
В. \( v=\frac{\lambda}{T} \)
Г. \( v=\lambda T \)

1) только А
2) только Б
3) А и В
4) В и Г

11. Установите соответствие между названием опыта (в левом столбце таблицы) и явлением, которое в этом опыте наблюдается (в правом столбце таблицы). В таблице под номером физической величины левого столбца запишите соответствующий номер выбранного вами элемента правого столбца.

ВЕЛИЧИНА
A) опыты Фарадея
Б) опыт Эрстеда
B) опыт Ампера

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ ЗНАЧЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ
1) действие проводника с током на магнитную стрелку
2) электромагнитная индукция
3) взаимодействие проводников с током

12. Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе их работы.

ТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
A) генератор электрического тока
Б) электрический двигатель
B) электромагнитное реле

ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
1) взаимодействие постоянных магнитов
2) взаимодействие проводников с током
3) возникновение электрического тока в проводнике при его движении в магнитном поле
4) магнитное действие проводника с током
5) действие магнитного поля на проводник с током

Часть 2

13. На какую частоту нужно настроить радиоприёмник, чтобы слушать радиостанцию, которая передает сигналы па длине волны 2,825 м?

1) 106,2 кГц
2) 106,2 МГц
3) 847,5 кГц
4) 847,5 МГц

Ответы

Электромагнитная индукция. Опыты Фарадея. Электромагнитные колебания и волны

Оценка

Как взаимодействуют две катушки с током

Исследуя взаимодействие катушек, по которым текут токи, друг с другом и с постоянными магнитами, Ампер заметил, что торцы катушек с токами подобны полюсам магнита (см. рис. 12.5).

При изменении направления тока в катушке ее «северный» и «южный» магнитные полюса «меняются местами», как изображено на рис. 12.6.

Два круговых тока одного направления притягиваются, а противоположного направления — отталкиваются. Вместо круговых токов для этого опыта лучше взять многовитко- вые катушки, бифилярно подвешенные на подставку так, что их плоскости параллельны друг другу (рис. 5.5).

Сверху имеется пластина из гетинак- са, которая может быть повернута либо горизонтально, либо вертикально. В первом случае две катушки оказываются несколько отодвинуты друг от друга, во втором — они находятся рядом друг с другом.

Рубильник на два положения является одновременно коммутатором, позволяющим устанавливать в катушках токи одного или встречного направления. Когда токи параллельны, катушки, первоначально отодвинутые друг от друга, сильно притя- Рис – 5-5. Опыте двумя

гиваются и слипаются. Во втором катушками

случае, когда токи встречные, катушки, находящиеся рядом, отскакивают друг от друга и начинают интенсивно качаться, периодически сталкиваясь друг с другом.

Опыт напоминает демонстрацию силовых линий электрического поля с помощью манной крупы в касторовом масле. Но в данном случае все получается чище и проще. Берут стеклянные пластинки

(можно из оргстекла) размером

9х13 см, сквозь которые проходит толстый медный проводдиаметром 1,0—1,5 мм, образующий прямой проводник, кольцо или соленоид (последний изображен на рис. 5.6). Прямой провод длиной 3-4 см входит в пластинку. Один конец провода отгибают в одну сторону, другой — в другую сторону. В этом случае отогнутые концы не влияют на конфигурацию магнитного поля прямого проводника. Кольцо диаметром 5 см и соленоид располагаются так, что стеклянная пластинка находится в их средней плоскости.

Рис. 5.6. Соленоид на кодоскопе

Демонстрация проводится в затемненной аудитории с помощью кодоскопа, проецирующего изображение на большой экран. На стеклянную пластинку насыпают мелкие железные опилки так, чтобы они равномерно распределились по поверхности. Включают ток

Рис. 5.7. Магнитное поле соленоида

(20-25 А) и постукиванием по пластинке пальцем или стеклянной палочкой добиваются четкой картины силовыхлиний магнитного поля (рис. 5.7). После образования цепочек из опилок ток надо выключить, чтобы не перегревать источник.

Аналогично получают картины магнитного поля от прямого провода и кольца.

Взаимодействие – катушка

Так как бесконечно длинные проводники ничтожно малого сечения практически невыполнимы, то в реальных условиях эталон силы тока воспроизводится по измерению силы взаимодействия катушек с током ( на так называемых токовых весах), а затем вводятся теоретические поправки, учитывающие размеры и форму проводников. [31]

Теория о взаимодействии витка и металла служит отправной базой при построении более общей теории для катушек любых типов, использующей физическую картину взаимодействия катушки с металлом и понятие о коэффициенте рассеяния. [32]

Так как проводники бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения практически невыполнимы, то в реальных условиях эталон силы тока воспроизводится по измерению силы взаимодействия катушек с током ( на так называемых токовых весах), а затем вводятся теоретические поправки, учитывающие размеры и форму проводников. [33]

Если оси катушек параллельны, например при горизонтальном расположении фаз ( см. рис. 18.2, в), производная дМ / дх относительно мала и силы взаимодействия катушек значительно меньше, чем при вертикальном расположении. Направление намотки катушек не влияет на электродинамическую стойкость трехфазного комплекта, так как силы взаимодействия направлены всегда перпендикулярно осям катушек. [35]

Неподвижные катушки применяются в приоорах электромагнитной, электродинамической, ферродинамической и индукционной систем. Взаимодействие катушек друг с другом, катушки и сердечника, катушки и рамки позволяет преобразовать измеряемую величину в перемещение указателя измерительного прибора. [37]

Две катушки, по которым текут токи, взаимодействуют между собой с определенной силой. Как изменится сила взаимодействия катушек , если обе катушки свободно надеть на общий замкнутый железный сердечник. [38]

Электро-пневмопреобразователь типа ЭПП-М построен также на принципе компенсаций усилий. Усилия, возникающие в результате взаимодействия катушки с током и полем постоянного магнита, компенсируются усилием, создаваемым элементом обратной связи типа сопло-шарик. Индикатор рассогласования представляет собой элемент типа сопло-шарик, где контакт шарика осуществляется на острой кромке седла. [40]

Отсюда видно, что значение тока будет определено, если измерить силу F механического взаимодействия двух катушек, имеющих известные размеры. Ампервесы позволяют это сделать путем уравновешивания силы взаимодействия катушек гирями. В ампервесах осуществляется прямое сопоставление тока с единицами длины ( измерение размеров катушки), единицами массы ( гири) и единицей времени, поскольку сила F вычисляется по массе гирь и по значению ускорения земного тяготения, в формулу которого входит время. [41]

Магнитоэлектрические приборы состоят из двух основных частей: постоянного магнита и катушки. Работа измерительного механизма магнитоэлектрических приборов основана на взаимодействии катушки с током и магнитного поля постоянного магнита. По своей конструкции они разделяются на приборы с подвижной катушкой и приборы с подвижным магнитом. Приборы с подвижной катушкой выполняются с внешним или внутренним магнитом. [42]

Предположим, что рукоятку контроллера перевели на следующую позицию. Какое-то мгновение напряжение ВГ увеличивается, увеличивается и сила взаимодействия катушек . [43]

При включении прибора в цепь по катушкам проходит ток и возникающие магнитные поля вызывают появление электродинамической силы, которая стремится повернуть подвижную систему так, чтобы магнитные поля обеих катушек совпадали по направлению. Если допустить, что по катушкам прибора проходят одинаковые токи, то сила взаимодействия катушек ( и вращающий момент) будет пропорциональна квадрату тока: F KI2 – Поэтому электродинамические амперметры имеют неравномерную шкалу. [45]

5.Индуктивно связанные электрические цепи

5.1 Индуктивная связь. Эдс взаимной индукции. Взаимная индуктивность. Коэффициент связи.

Электрические
цепи называются связанными, если процессы
в них влияют друг на друга. Это влияние
может осуществляться посредством
общего электрического или магнитного
поля. В последствии случая цепи называются
индуктивно связанными.

Рассмотрим две
катушки, расположенные рядом (рис. 5.1.а)

Рис.5.1

Протекающий в
первой катушке с числом витков
W₁и индуктивностиL₁токi₁вызывает
магнитный поток Ф₁₁. Часть потока
Ф₁₂охватывает находящуюся вторую
катушку с числом витковW₂и индуктивностьюL₂.

ЭДС, находящаяся
в первой катушке под воздействием Ф₁₁

называется ЭДС
самоиндукции, где
— потокосцепление самоиндукции ………………

,
где
-потокосцепления взаимной индукции,-взаимная
индуктивность между первой и второй
катушками.

Протекающий во
второй катушке ток i₂(рис.5.1.б), вызывает поток Ф₂₂.

Часть этого потока,
охватывает витки первой катушки. По
аналогии можем записать

,

,

где e₂-ЭДС
самоиндукции второй катушки,

-потокосцепление
самоиндукции второй катушки,

e₂₁-ЭДС
взаимной индукции, находящаяся в первой
катушке под воздействием потока Ф₂₁.

М₂₁-взаимная
индуктивность между второй и первой
катушками.

Если обе катушки
находятся в среде не обладающей никакими
аномальными свойствами, то взаимные
индуктивности М₁₂и М₂₁оказываются равными

М₁₂=М₂₁=М.

величина и по ней
трудно судить о степени взаимного
влияния катушек друг на друга.

Для оценки степени
связи катушек пользуются относительной
величиной –коэффициентом связи К,
который определяется как среднее
геометрическое из отношения потокосцепления

Электромагнитные явления Составитель — Пояснительная записка

Электромагнитныеявления.

Составитель: Гарбарук И.В.

Учитель физики

МОУ Гимназия № 8

г. Мурманск

Содержание

I. Пояснительная записка_________________________________3

3.1 Электризация тел._____________________________________4

3.2 Два вида электрических зарядов. Взаимодействие электрических зарядов.____________________________________7

3.3 Закон сохранения электрического заряда.__________________10

3.4 Электрическое поле. Действие электрического поля на электрические заряды._____________________________________11

3.5 Постоянный электрический ток. Сила тока. Напряжение._____________________________________________14

3.6 Электрическое сопротивление.__________________________18

3.7 Закон Ома для участка электрической цепи._______________23

3.8 Работа и мощность электрического тока.__________________27

3.9 Закон Джоуля-Ленца.__________________________________30

3.10 Опыт Эрстеда. Магнитное поле тока.____________________33

3.11 Взаимодействие магнитов._____________________________36

3.12 Действие магнитного поля на проводник с током.__________39

3.13 Электромагнитная индукция. Опыты Фарадея.____________43

II. Ответы_______________________________________________45

Текстовые задания________________________________________49

Пояснительная записка

В данном разделе включены задачи по теме «Электромагнитные явления»

Часть 1 содержит задания базового уровня с выбором ответа ,обозначенные в работе №№9,10 , а также задания повышенного уровня с выбором ответа (П) ,обозначенные в работе -№13.

Часть 2 включает в себя задания повышенного уровня с кратким ответом, обозначенные в работе № 21,22, а также задания соответствия физических величин, единиц измерения, использование физических явлений в технических устройствах, обозначенные в работе № 19,20.

Часть 3 содержит задания высокого уровня сложности, в работах №23-25. Качественная задача -в работе №26.

Текстовые задачи и задания к ним в работе -№ №16 – 18.

3.1 Электризация

Часть 1

1.Когда мы снимаем одежду, особенно, изготовленную из синтетических материалов, мы слышим характерный треск. Какое явление объясняет этот треск?

1)электризация

2)трение

3)нагревание

4)электромагнитная индукция

2.При трении пластмассовой линейки о шерсть линейка заряжается отрицательно. Это объясняется тем, что

1)электроны переходят с линейки на шерсть

2)протоны переходят с линейки на шерсть

3)электроны переходят с шерсти на линейку

4)протоны переходят с шерсти на линейку

3. На какую минимальную величину может измениться заряд золотой пылинки?

1)на величину, равную по модулю заряду электрона

2)на величину, равную по модулю заряду ядра атома золота

3)на сколь угодно малую

4)ответ зависит от размера пылинки

4.Капля, имеющая отрицательный заряд (-q), при освещении потеряла один электрон. Каким стал заряд капли?

1) 0 2) -2e 3) +2е 4) +е

5.На рисунке изображено сечение уединенного проводящего полого шара. I-область полости, II-область проводника, III-область вне проводника. Шару сообщили отрицательный заряд. В каких областях пространства напряженность электрического поля, создаваемого шаром, отлична от нуля?

1) только в I 2) только в II 3) только в III 4) в I и II

III

6.Два стеклянных кубика 1 и 2 сблизили вплотную и поместили в электрическое поле. Затем кубики раздвинули ,и уже потом убрали электрическое поле(см.рис.)Какое утверждение о знаках зарядов разделенных кубиков1 и 2 правильно?

1) заряды первого и второго кубиков положительны

2) заряды первого и второго кубиков отрицательны

3) заряды первого и второго кубиков равны нулю

4)заряд первого кубика отрицателен, заряд второго – положителен

7.Эбонитовая палочка, потертая о мех, заряжается отрицательно и начинает притягивать легкие кусочки бумаги. Это объясняется тем, что…

1)кусочки бумаги заряжаются отрицательным зарядом.

2) кусочки бумаги заряжаются положительным зарядом

3)под действием электрического поля на ближнем к палочке кусочке бумаги образуется положительный заряд.

4) под действием электрического поля на ближнем к палочке кусочке бумаги образуется

отрицательный заряд

8. Единица измерения заряда – это:

1)джоуль; 3) кулон;

2) герц; 4) секунда.

9. Какая физическая величина обозначается буквой q?

1) масса; 3) время;

2) заряд; 4) сила.

10. Какие из перечисленных веществ относятся к проводникам?

1) эбонит; 3) раствор соли;

2) пластмасса; 4) воздух.

11. Стеклянная палочка, потертая о шелк, заряжается положительно и начинает притягивать легкие кусочки бумаги. Это объясняется тем, что…

1) кусочки бумаги заряжаются положительным зарядом

2) кусочки бумаги заряжаются отрицательным зарядом

3) под действием электрического поля на ближнем к палочке кусочке бумаги образуется положительный заряд

4) под действием электрического поля на ближнем к палочке кусочке бумаги образуется отрицательный заряд

12. На каком рисунке указано правильное распределение зарядов при электризации?

1) 2) 3)

13. К шарику незаряженного электроскопа поднесли положительно заряженную палочку, но не касались ею шарика. Частицы какого знака заряда и в каком направлении будут перемещаться в электроскопе?

1) Отрицательно заряженные частицы к листочкам электроскопа.

2) Положительно заряженные частицы к листочкам электроскопа.

3) Положительно заряженные частицы к шарику электроскопа.

4) Отрицательно заряженные частицы к шарику электроскопа.

15. К незаряженному проводнику АВ поднесли, не касаясь его, положительно заряженную стеклянную палочку. Затем , не убирая палочку, разделили проводник на две части. Какое утверждение о знаках зарядов частей А и В после разделения будет верным?

1)только А

2)только Б

3)и А и Б

4) ни А ни Б

17. Эбонитовую палочку потерли о шерсть. Эбонит и шерсть при этом приобрели

1) положительные заряды

2) отрицательные заряды

3) разноименные заряды

4) одноименные заряды

Часть 3

18. Хорошо известно, что эбонитовая палочка при трении о шерсть заряжается отрицательно. Можно ли трением зарядить эбонитовую палочку положительно? Ответ поясните.

3.2 Виды электрических зарядов. Взаимодействие зарядов.

1.Заряд электрона был установлен в опытах

1)Дж. Дж.Томсона

2)Р. Милликена

3)Э. Резерфорда

4)М. Фарадея

2.На тонких шелковых нитях подвешены два

заряженных одинаковых шарика(рис.)

Какое из утверждений верно?

1)Заряды шариков обязательно равны по модулю

2) Силы, действующие на каждый из шариков, различны

3)Заряды шариков имеют одинаковый знак

4)Заряды шариков имеют различные знаки

3.Незаряженная цинковая пластина при освещении потеряла четыре электрона.

1) +4Кл 2)-4Кл 3) +6,4 ^.10^-19Кл 4)-6,4^.10^-19Кл

4.На рисунках 1-3 изображены три пары легких шариков, подвешенных на шелковых нитях. На каком из рисунков изображены шарики, заряженные одноименными зарядами?

1) 1 2) 2 3) 3 4) такого рисунка нет

5.Какими электрическими зарядами обладают электрон и протон?

1) электрон-отрицательным, протон-положитедьным

2) электрон-положительным, протон-отрицательным

3) электрон-отрицательным, протон не имеет заряда

4) электрон и протон положительны

6. На рисунке 1 показаны направления сил взаимодействия положительного электрического заряда q1 с электрическим зарядом q2. Каков знак заряда q2.

1. Положительный. 2. Отрицательный.

3. Нейтральный. 4. Знак заряда может быть и положительным и отрицательным.

7. Кулон в своем знаменитом опыте исследовал взаимодействие…

1. …двух проводников с током.

2. … стрелки компаса с проводником, по которому течет электрический ток.

3. … двух постоянных магнитов.

4. …двух заряженных шариков.

8. На тонких шелковых нитях подвешены два заряженных шарика (рис.). Какое из утверждений верно?

9. Какой заряд имеет большой шар?

1. Отрицательный 2) положительный

10. Предел делимости заряда равен:

1) q=1,6 ^. 10 ^-19Кл 3) 3,2 ^. 10^-19Кл;

q= 9,1 ^. 10 ^-31Кл; 4) 1 Кл

11. Назовите ученого, экспериментально доказавшего существование атомных ядер.

1) Дж. Дж. Томсон;

2) И. Ньютон;

3) Э. Резерфорд;

4) Г. Герц.

12. Два точечных заряда будут отталкиваться друг от друга только в том случае, если заряды

1) одинаковы по знаку и любые по модулю

2) одинаковы по знаку и обязательно одинаковы по модулю

3) различны по знаку и по модулю

4) различны по знаку, но обязательно одинаковы по модулю.

3.3 Закон сохранения заряда

Часть 1

1.От капли, имевшей электрический заряд +2е, отделилась капля с зарядом +е.Модуль заряда оставшейся части капли

1) увеличился

2) уменьшился

3) не изменился

4) мог увеличиться и уменьшиться в зависимости от размера отделившейся капли

2(П).На двух одинаковых металлических шарах находятся положительный заряд +Q и отрицательный заряд -5Q. При соприкосновении шаров заряд на каждом шаре станет равен

1) -4Q 2) +6Q 3) -2Q 4) +3Q

3.Капля, имеющая положительный заряд +е , при освещении потеряла один электрон. Каким стал заряд капли ?

1) 0

2) +2е

3) -2е

4) среди ответов нет правильного.

4.(П) Альфа-частица, являющаяся ядром атома гелия He²⁺, попадает в пылинку, несущую избыточный электрон, и застревает в ней. Заряд пылинки после этого равен

3 Кл

1 Кл

3) 1,6 ^. 10^-19 Кл

4) 3,2 ^. 10^-19Кл

5. Кто из перечисленных ученых предложил ядерную модель строения атома?

1) Дж. Дж. Томсон;

2) И. Ньютон;

3) Э. Резерфорд;

4) Г. Герц.

6. Нейтральная водяная капля разделилась на две. Первая обладает электрическим зарядом +q. Каким зарядом обладает вторая капля?

1) +2q; 2) –q; 3) +q; 4) -2q.

7. Телу сообщили заряд, равный 2/3 элементарного заряда. Укажите заряд тела.

1) q= 2/3 ^. 1,6 ^. 10^-19Кл 3) телу нельзя сообщить такой заряд

2) q= 1,6 ^. 10^-19 Кл 4) 1, 2/3 Кл

8. Заряды +2q и -3q слили. Образовался заряд:

1) +5q 3) -0,5q 5) +q

2) -5q 4) –q

3.4 Электрическое поле. Действие поля на заряды.

Часть 1

1.Пылинка, заряженная отрицательно, в начальный момент времени покоится в однородном электрическом поле, напряженность которого направлена слева направо.

Куда и как начнет двигаться пылинка, если силой тяжести можно пренебречь?

1)вправо равномерно

2)вправо равноускоренно

3)влево равномерно

4)влево равноускоренно

2.На каком рисунке правильно изображена картина силовых линий электрического поля точечного отрицательного заряда?

3. Как узнать, что в данной точке пространства существует электрическое поле?

1) Поместить в эту точку магнитную стрелку и посмотреть, действует ли на него сила.

2) Поместить в эту точку заряд и посмотреть , действует ли на него сила,

3) Поместить в эту точку лампу накаливания и посмотреть, загорится ли она,

4) Этого нельзя определить экспериментально, так как электрическое поле не действует на наши органы чувств,

4.(П) К бесконечной горизонтальной отрицательно заряженной плоскости привязана невесомая нить с шариком, имеющим отрицательный заряд ( рис. ). Укажите условие равновесия шарика, если mg-модуль силы тяжести, F_э-модуль силы кулоновского взаимодействия шарика с пластиной, Т- модуль силы натяжения нити.

5. Силовая линия электрического поля – это…

1)линия, вдоль которой в поле будет двигаться положительный заряд

2)линия, вдоль которой в поле будет двигаться отрицательный заряд

3)светящаяся линия в воздухе, которая видна при большой напряженности поля 4)линия, в каж

взаимодействие проводников и магнитный момент

На сайте есть уже записи на тему “Магнитное поле”. В этой статье предложены задачи на силу взаимодействия двух проводников с током, или рамки и прямолинейного проводника, а также задачи на определение магнитного момента катушки.

Задача 1. По кольцевому проводу течет  ток , а по прямолинейному проводнику, расположенному на оси кольца, течет ток . Определить силу взаимодействия этих токов.

Линии индукции линейного провода представляют собой окружности, поэтому они сонаправлены току . Аналогично, линии индукции тока представляют собой окружности, лежащие в плоскостях, перпендикулярных линейному проводу, следовательно, параллельны току . Так как угол между током и линиями индукции в обоих случаях равен нулю, то сила взаимодействия равна нулю.

К задаче 1

Задача 2.  Проводник в виде тонкого полукольца радиусом см находится в однородном  магнитном поле с индукцией Тл. Сила тока в проводнике А. Найти силу, действующую на проводник, если плоскость полукольца перпендикулярна линиям индукции, а подводящие провода находятся вне поля.

Разделим наш проводник на малые кусочки . Тогда длина проводника

Сила, действующая на проводник, равна

Ответ: Н.

Задача 3. Какую минимальную работу совершает однородное магнитное поле с индукцией Тл при перемещении проводника длиной м на расстояние м? Сила тока в проводнике А. Направление перемещения перпендикулярно вектору  магнитной индукции и направлению тока. Проводник расположен под углом к вектору магнитной  индукции.

Работа равна произведению силы на перемещение:

Сила

Ответ: Дж.

Задача 4.  По двум прямолинейным проводникам, находящимся на расстоянии см друг от друга, текут токи в одном направлении. Сила тока в первом проводнике А, во втором проводнике   А. Определить работу на единицу длины проводника, необходимую для того, чтобы развести проводники на расстояние см.

К задаче 4 – рисунок 1

Работа равна произведению силы на перемещение:

Сила взаимодействия двух проводников определяется формулой

Но в данном случае сила переменна! Работа будет определяться площадью под кривой:

К задаче 4

Площадь под кривой можно определить с помощью интеграла, тогда

Ответ: мкДж/м.

Задача 5. Укрепленную на конце коромысла весов небольшую катушку  с числом витков поместили в зазор между полюсами магнита. Площадь поперечного сечения катушки см, длина плеча ОА коромысла см. В отсутствии тока весы уравновешены. Если через катушку пропустить ток, то для восстановления равновесия придется изменить груз на чаше весов на мг. Найти индукцию магнитного поля при силе тока в катушке мА.

К задаче 5

Магнитный момент, создаваемый катушкой, равен ()

Этот момент уравновешен моментом механическим, который равен произведению силы на плечо:

Тогда

Ответ: Тл.

Задача 6. В центре длинного соленоида, на каждый метр длины которого приходится витков, находится катушка, состоящая из витков поперечного сечения  (рис. 13.43). Катушка укреплена на одном конце коромысла весов, которые, в отсутствии тока, находятся в равновесии. Когда через систему пропускают ток, то для уравновешивания весов на правое плечо коромысла добавляют груз массой . Длина правого плеча коромысла . Определить силу тока в системе, если катушка и соленоид соединены последовательно.

К задаче 6

Индукцию поля можно записать через напряженность поля:

По закону полного тока

Общее число витков , деленное на длину , как раз и будет  величиной :

Далее, как и в предыдущей задаче, составляем уравнение равенства моментов:

Ответ:

Задача 7. Квадратная проволочная рамка расположена в одной плоскости с длинным прямым проводом так, что две ее стороны параллельны проводу. Сила тока в рамке и проводе одинакова и кА. Определить силу, действующую на рамку, если ближайшая к проводу сторона рамки находится на расстоянии, равном ее длине.

К задаче 7

С проводом будут взаимодействовать две стороны рамки, параллельные ему. Ближайшая расположена на расстоянии , дальняя – на расстоянии . Причем, если ток в ближней стороне рамки сонаправлен с током в проводе, то в дальней – противонаправлен. Тогда

Ответ: Н.

На рис. 6.2 показано изменение во времени t тока Ip в первичной обмотке. Во вторичной обмотке нет тока.

Вопрос 2

Идеальный трансформатор с железным сердечником показан на рис.
6.1.

Рис. 6.1

(a) Объясните, почему

(i) питание первичной обмотки должно быть переменным.
ток, а не постоянный ток, [2]

(ii) для постоянной входной мощности, выходная
ток должен уменьшиться, если выходное напряжение

увеличивается.[2]

(б) На рис. 6.2 показано изменение во времени t
ток I p в первичной обмотке. Нет тока
во вторичной обмотке.

Рис. 6.2

Рис. 6.3

Рис. 6.4

(i) Заполните Рис. 6.3, чтобы показать изменение во времени t
магнитный поток Φ в

ядро. [1]

(ii) Рис.6.4, чтобы показать
изменение во времени т э.д.с. E индуцированный в

вторичная обмотка. [2]

(iii) Следовательно, укажите разность фаз
между током I p в первичной обмотке и

э.м.ф. E наведено во вторичной обмотке. [1]

Ссылка: Отчет о прошедшем экзамене — Отчет за июнь 2005 г. 4 Q6

Решение:

(а)

(i) Поток / поле в сердечнике должны изменяться, чтобы
что е.во вторичной обмотке индуцируется м.ф. / ток.

(ii)

Мощность = VI

Поскольку выход мощность постоянна, если
(вторичное) выходное напряжение V _S увеличивается, (вторичный) ток I _S
должно уменьшиться.

(б)

(i)

График имеет ту же форму и фазу, что и I _P

(ii)

График:

та же частота, правильная фаза w.r.t. Рис.6.3

{индуцированная ЭДС E = — dϕ / dt

График ϕ представляет собой синусоидальную кривую. Дифференцирующий синус дает cos. Но
поскольку у нас знак минус, косинусная кривая инвертирована.}

(iii)

½π рад или 90 °

Моделирование и практическая реализация систем беспроводной передачи энергии с двумя катушками

Беспроводная передача энергии (WPT) на основе индуктивной связи потенциально может быть применена во многих практических приложениях.За последние несколько лет он привлек множество исследовательских интересов. В этой статье представлены моделирование, конструкция и реализация системы БПЭ с двумя катушками. Система-прототип может быть реализована с использованием обычных силовых электронных устройств, таких как полевые МОП-транзисторы, с очень низкими затратами, поскольку она работает в относительно низком диапазоне частот (менее 1 МГц). Чтобы определить оптимальную рабочую зону для системы WPT, строится схемная модель на основе практических параметров из прототипа.Взаимосвязь между частотой возбуждения, связью и выходной мощностью анализируется на основе схемных и магнитных принципов. Помимо теоретического исследования, в этой статье также представлена ​​подробная реализация прототипа БПЭ, включая конструкцию катушки, генерацию цифровой частоты и высокочастотную силовую электронику. Проводятся эксперименты для проверки эффективности анализа схемы. Тщательно настроив параметры схемы, прототип может выдавать мощность 20 Вт через 2 штуки.Расстояние 2 метра с эффективностью 20–30%.

1. Введение

Технология беспроводной передачи энергии (WPT) потенциально может использоваться во многих промышленных приложениях в случае, если соединительные провода неудобны, опасны или даже невозможны. За последние несколько лет он привлек большое внимание исследователей. В настоящее время исследуются несколько техник WPT. Методы дальнего поля используют распространяющиеся электромагнитные волны, которые передают энергию так же, как радиосигналы передают сигналы, но с гораздо большей мощностью передачи [1].Методы индуктивной связи (или ближнего поля) работают на расстояниях, меньших длины волны передаваемого сигнала, которые работают на относительно низкой частоте по сравнению с методами дальнего поля [2].

Ранние исследования и анализ индуктивной связи [3, 4] в основном основывались на чисто физических теориях, которые может быть трудно полностью понять исследователям из области электротехники. Недавние исследования [5–7] начали использовать теорию цепей и магнитного поля для изучения фундаментального принципа магнитно-резонансной связи, что делает технологию более ощутимой для более широкого круга исследователей, особенно для инженеров-электриков и электронщиков.

Потенциально, системы БПЭ с индуктивной связью могут использоваться во многих промышленных приложениях, таких как источники питания для движущихся датчиков и преобразователей [8], медицинские имплантаты [9, 10] и станции беспроводной зарядки электромобилей [11].

В электроэнергетике, из-за важности высоковольтных кабелей в сети передачи, мониторинг состояния на месте является очень важным вопросом [12, 13]. Однако источник питания всегда является серьезной проблемой для надежности устройств мониторинга, которые работают в суровых условиях окружающей среды без надежных источников питания.Некоторые приложения пытаются использовать солнечную и ветровую энергию для решения проблемы, но эти источники энергии не гарантируются в случае продолжительных плохих погодных условий, которые могут часто происходить в некоторых местах, например, в горных районах Юго-Западного Китая.

Однако, используя технологию WPT, небольшое количество энергии может быть получено из магнитного поля вокруг силовых кабелей высокого напряжения с помощью индукционных катушек, а затем передано через изолятор (расстояние в несколько метров) для питания устройств мониторинга, установленных на башни, которые могут быть потенциальным решением проблемы.Для этого типа приложений ключевым требованием является подача достаточной мощности на нагрузку с относительно высокой эффективностью передачи мощности (PTE) и значительным расстоянием. Прочность и надежность также являются важными вопросами, особенно в случае мониторинга высоковольтных кабелей.

В последнее время разработано множество конфигураций системы БПЭ, включая 2-катушку [14, 15], 3-катушку [16] и 4-катушку [17, 18]. Многослойные конструкции в некоторых случаях могут увеличить PTE, но цена заключается в увеличивающейся сложности структуры системы.Каждая катушка имеет свои параметры, такие как сопротивление, индуктивность и емкость. Некоторые параметры могут быть чувствительны к внешней среде, например, к температуре и влажности. Больше контуров катушек означает, что для согласования всех параметров требуется больше работы по настройке. Может быть трудно поддерживать оптимальную производительность в некоторых суровых условиях для практических приложений. Уравновешивая производительность, сложность и надежность, простая конструкция с двумя катушками может быть лучшим вариантом для некоторых промышленных приложений.

В [14] изучается оптимальная конструкция индуктивно связанной системы передачи энергии с двумя катушками с использованием теории сопряженного изображения [15]. Теоретически оптимальные параметры систем БПЭ могут быть рассчитаны для максимальной передачи мощности. Однако в некоторых приложениях может быть сложно или дорого изменить внутренние параметры схемы, что требуется по теории.

В этом документе рассматривается решение БПЭ, которое потенциально может быть использовано для мониторинга силовых кабелей высокого напряжения.Для оптимизации условий работы анализируются и моделируются модели схем с практическими параметрами. На основе теоретического исследования создан прототип БПЭ, предназначенный для практического мониторинга силовых кабелей ВН. Он способен выдавать мощность 20 Вт на расстояние 2,2 м. Поскольку он разработан для практического применения, резонансная частота снижена до нескольких сотен килогерц, что находится в пределах диапазона обычных компонентов силовой электроники, таких как полевые МОП-транзисторы. Его можно легко коммерциализировать, поскольку все силовые и электрические компоненты можно приобрести с низкими затратами.

2. Принцип работы двухкатушечных систем БПЭ и принцип их действия

2.1. Модель оптимальной схемы

На рисунке 1 показана модель эквивалентной схемы системы БПЭ с двумя катушками, использующая магнитно-связанный резонатор, где система катушек с самоиндукцией и, взаимной индуктивностью и потерями в меди и. Поскольку обе катушки представляют собой индукторы с воздушным сердечником, потери в стали не учитываются. Обе катушки Tx и Rx подключены к резонансным конденсаторам и. и являются паразитарной устойчивостью и.это зависимость от источника переменного тока. — сопротивление нагрузки выхода.

Для системы, показанной на рисунке 1, оптимальные параметры, которые максимизируют беспроводную передачу мощности, анализируются в [14]. Для данной системы катушек оптимальная емкость нагрузки и сопротивление порта рассчитываются как

где сумма и. это сумма и. Уравнения (1) и (2) представляют собой условие согласования сопротивлений, а (3) и (4) отображают условие резонанса.Из (3) и (4) можно видеть, что для максимальной передачи мощности две катушки с обеих сторон должны работать на резонансной частоте, как

Теоретически, (1) — (4) могут элегантно определить оптимальные параметры. Однако в практических приложениях, поскольку, и являются паразитными значениями, у инженеров мало гибкости при выборе параметров схемы для согласования сопротивления. Для данной системы WPT,,, и являются фиксированными значениями, когда их невозможно или удобно изменить.

2.2. Модель практической схемы

В лаборатории установлен экспериментальный испытательный стенд, измеренные параметры схемы которого приведены в таблице 1. Обе стороны Tx и Rx имеют одинаковую индуктивность и емкость, поэтому они имеют одинаковую резонансную частоту, как требуется в (5). Однако, что касается резистивной части, гибкость изменения параметров невысока. Все значения сопротивления, такие как,, и являются практическими измерениями с испытательного стенда.

два раза катушки Обычно расстояние между катушками может быть несколько радиус катушки, из-за чего коэффициент связи имеет очень маленькое значение от 0,001 до 0,01. Лишь небольшая часть потока, генерируемого катушкой Tx, может проходить через катушку Rx. Однако большое количество магнитной энергии все еще может передаваться через ограниченное количество магнитного потока с относительно высокой эффективностью (примерно от 20 до 30%), когда катушки Rx и Tx находятся в резонансном состоянии.Это явление можно объяснить с помощью теории цепей и магнитной теории.

Модель с двумя катушками, изображенная на рисунке 1, может быть проанализирована с использованием закона напряжения Кирхгофа (KVL) следующим образом:

где

и — взаимная индуктивность между катушками Tx и Rx. Связь между взаимной индуктивностью и коэффициентом связи определяется как

Для упрощения двух схемных уравнений (6) и (7), которые определяются как зависимость обоих контуров схемы следующим образом:

Два уравнения КВЛ (6) и (7) могут быть решены как

Следовательно, входная мощность, которая питает катушку Tx, и выходная мощность, потребляемая нагрузкой, могут быть рассчитаны как

Линейные v квадратурные катушки — вопросы и ответы в МРТ

Термины линейная поляризация (LP) и круговая поляризация (CP) происходят из классической электромагнитной теории, описывающей два режима распространения волн.Читатели могут быть более знакомы с этими концепциями из оптики, где поляризационные линзы, подобные тем, которые используются в солнцезащитных очках, позволяют световым лучам, колеблющимся в определенном ограниченном (линейном) измерении, проходить сквозь них, блокируя все остальные. На диаграммах ниже показаны CP и LP распространения волн.

На приведенном выше рисунке слева показана пара катушек Гельмгольца, расположенных в линейно поляризованной (LP) конфигурации. ВЧ-поле B 1 (зеленые стрелки) генерируется путем возбуждения катушек синусоидальным электрическим током, заставляя B1 колебаться назад и вперед в одном направлении.Как объяснялось в предыдущем вопросе, любое линейно колеблющееся поле можно разложить на 2 круговых поля, вращающихся в противоположных направлениях, одно с тем же направлением и частотой, что и спиновая система ЯМР, а другое — с противоположным направлением. Противоположно вращающееся поле представляет собой «потраченную впустую» ВЧ-мощность, которая не влияет на спиновую систему и создает неблагоприятное воздействие на нагревание тканей.

Добавив второй набор катушек, перпендикулярных первому, и возбудив их синусоидальным током, сдвинутым по фазе на 90 °, можно создать чисто вращающееся поле B1 .Это известно как круговая поляризация (CP) или квадратурная передача . Нежелательные встречные поля от каждого набора линейных катушек (обозначены красными стрелками ниже) всегда сдвинуты по фазе на 180 ° и, следовательно, нейтрализуют друг друга. Полезные подполя, синхронизированные со спиновой системой (синие стрелки), складываются векторно, чтобы создать вращающееся поле B1 без потери мощности.

Векторная диаграмма двух линейно поляризованных катушек, расположенных в квадратуре.Каждая из них управляется синусоидальным током, но катушка 2 на 90 ° не совпадает по фазе с катушкой 1. Осциллирующее поле от каждой катушки можно разложить на векторы, вращающиеся в том же направлении, что и система вращения (синие стрелки), и в противоположном направлении. (красные стрелки). При сложении получается вращающееся поле B1 без потерь энергии.

Как и катушки LP, катушки CP могут использоваться как передатчики, приемники или и то, и другое. Наиболее распространенным типом квадратурной катушки для РЧ-передачи, используемой в МРТ, является катушка для птичьей клетки или ее вариант, катушка с поперечным электромагнитным излучением (ТЕМ) .Подробнее об этом можно узнать по ссылкам для расширенного обсуждения ниже.

Ученые выяснили, как новый коронавирус проникает в клетки человека

Ученые показали первую картину того, как новый коронавирус SARS-CoV-2 связывается с респираторными клетками человека, чтобы захватить их и произвести больше вирусов.

Исследователи под руководством Цян Чжоу, научного сотрудника из Университета Вестлейк в Ханчжоу, Китай, показали, как новый вирус прикрепляется к рецептору на респираторных клетках, называемому ангиотензин-превращающим ферментом 2 или ACE2.

«У них есть изображения вплоть до уровня атомов , которые взаимодействуют на интерфейсе связывания», — Томас Галлахер, вирусолог из Университета Лойола в Чикаго, который не участвовал в новом исследовании, но изучает структуру коронавируса . сказал Live Science. По его словам, такой уровень информации является необычным на данном этапе вспышки нового вируса.

«Вспышка вируса началась всего пару месяцев назад, и за этот короткий период времени эти авторы предоставили информацию, которая, как мне кажется, традиционно занимает гораздо больше времени», — сказал Галлахер.

Это важно, сказал он, потому что понимание того, как вирус проникает в клетки, может способствовать исследованиям лекарств или даже вакцины против вируса .

Вход вируса

Чтобы заразить человека-хозяина, вирусы должны иметь возможность проникать в отдельные клетки человека. Они используют механизмы этих клеток для создания своих копий, которые затем распространяются на новые клетки.

19 февраля в журнале Science исследовательская группа под руководством ученых из Техасского университета в Остине описала крошечный молекулярный ключ на SARS-CoV-2, который обеспечивает проникновение вируса в клетку.Этот ключ называется шиповым белком или S-белком. На прошлой неделе Чжоу и его команда описали остальную часть загадки: структуру белка рецептора ACE2 (который находится на поверхности респираторных клеток) и его взаимодействие с белком-спайком. Исследователи опубликовали свои выводы в журнале Science 4 марта.

«Если мы подумаем о человеческом теле как о доме, а о 2019-nCoV [другое название SARS-CoV-2] — как о грабите, то ACE2 будет дверной ручкой двери дома.Как только S-белок захватывает его, вирус может проникнуть в дом », — сказал Лян Тао, исследователь из Университета Вестлейк, который не участвовал в новом исследовании, в заявлении .

Чжоу и его команда использовали инструмент под названием криоэлектронная микроскопия, в которой используются глубоко замороженные образцы и электронные лучи для изображения мельчайших структур биологических молекул. Исследователи обнаружили, что молекулярная связь между шиповым белком SARS-CoV-2 и ACE2 очень похожа на схему связывания коронавируса, вызвавшего вспышка атипичной пневмонии в 2003 году.Однако есть некоторые различия в точных аминокислотах, используемых для связывания SARS-CoV-2 с этим рецептором ACE2, по сравнению с вирусом, вызывающим SARS (тяжелый острый респираторный синдром), говорят исследователи.

«Хотя некоторые могут посчитать различия незначительными, — сказал Галлахер, — они могут иметь значение с точки зрения силы, с которой прилипает каждый из этих вирусов».

Эта «липкость» может повлиять на то, насколько легко вирус передается от одного человека к другому. Если какая-либо конкретная вирусная частица с большей вероятностью попадет в клетку после попадания в организм человека, вероятность передачи болезни выше.

Существуют и другие коронавирусы, которые регулярно циркулируют и вызывают инфекции верхних дыхательных путей, которые большинство людей считают простудой. По словам Галлахера, эти коронавирусы не взаимодействуют с рецептором ACE2, а, скорее, попадают в организм с помощью других рецепторов на клетках человека.

Значение структуры коронавируса

Структура «ключа» SARS-CoV-2 и «замка» тела теоретически может служить мишенью для противовирусных препаратов, которые не позволят новому коронавирусу проникнуть в новые клетки.По словам Галлахера, большинство противовирусных препаратов, уже представленных на рынке, ориентированы на прекращение репликации вируса в клетке, поэтому лекарство, направленное на проникновение вируса, будет новой областью.

«Нет эффективного клинического препарата, который блокировал бы это взаимодействие, о котором я знаю», который уже используется, — сказал он.

Вирусный спайковый белок также является многообещающей мишенью для вакцин, потому что это часть вируса, которая взаимодействует с окружающей средой и поэтому может легко распознаваться иммунной системой , сказал Галлахер.

Даже в этом случае разработка лекарств или вакцины будет сложной задачей. По словам Галлахера, лекарства и вакцины не только должны быть эффективными против вируса, но и быть безопасными для людей. Официальные представители Центров по контролю и профилактике заболеваний США заявили, что вакцина против коронавируса может быть доступна в ближайшее время через год-полтора.

Первоначально опубликовано на Live Science .

ПРЕДЛОЖЕНИЕ: Сэкономьте минимум 53% с нашей последней скидкой на журнал!

Благодаря впечатляющим вырезанным иллюстрациям, показывающим, как все устроено, и умопомрачительным фотографиям самых вдохновляющих зрелищ в мире, How It Works представляет собой вершину увлекательного, фактического развлечения для основной аудитории, стремящейся не отставать от новейших технологий и самых впечатляющих явлений в мире. планета и за ее пределами.Написанный и представленный в стиле, который делает даже самые сложные предметы интересными и легкими для понимания, How It Works нравится читателям любого возраста.
Просмотреть сделку

Как преобразовать обученную модель Keras в один файл .pb TensorFlow и сделать прогноз

Сообщение от:

Chengwei

2 года назад

(Комментарии)

Вы узнаете, шаг за шагом, как заморозить и преобразовать вашу обученную модель Keras в один pb-файл TensorFlow.

По сравнению с TensorFlow, Keras API может выглядеть менее пугающим и с ним проще работать, особенно когда вы проводите быстрые эксперименты и строите модель со стандартными слоями. Хотя TensorFlow более универсален, если вы планируете развернуть свою модель на разных платформах на разных языках программирования. Хотя есть много способов преобразовать модель Keras в ее аналог TenserFlow, я собираюсь показать вам один из самых простых, когда все, что вам нужно, — это делать прогнозы с преобразованной моделью в ситуациях развертывания.

Вот обзор того, что будет рассмотрено.

• Keras в отдельный файл .pb TensorFlow
• Загрузите файл .pb с помощью TensorFlow и сделайте прогнозы.
• (Необязательно) Визуализируйте график в записной книжке Jupyter.

Исходный код этой публикации доступен на моем GitHub.

Keras в файл .pb TensorFlow

Когда вы обучили модель Keras, рекомендуется сначала сохранить ее как отдельный файл HDF5, чтобы вы могли загрузить ее позже после обучения.

 импорт ОС
os.makedirs ('./ model', exist_ok = True)
model.save ('./ модель / keras_model.h5')
 

В случае, если вы столкнулись с проблемой «несовместимости с ожидаемым ресурсом» с моделью, содержащей BatchNormization слоев, таких как DenseNet, обязательно установите для фазы обучения значение 0 перед загрузкой модели Keras в новом сеансе.

 из keras импортирует бэкэнд как K
# Эта строка должна быть выполнена перед загрузкой модели Keras.
K.set_learning_phase (0)
 

Затем вы можете загрузить модель и найти имена входных и выходных тензоров модели.

 из keras.models import load_model
модель = load_model ('./ модель / keras_model.h5')
печать (модель. выходы)
# []
печать (модель. входы)
# []
 

Как видите, наша простая модель имеет только один вход и выход, ваша модель может иметь несколько входов / выходов.

Мы отслеживаем их имена, поскольку мы собираемся найти их по имени в преобразованном графе TensorFlow во время вывода.

Первый шаг — получить граф вычислений бэкэнда TensorFlow, который представляет модель Кераса, в которую включены операции прямого прохода и обучения.

Затем граф будет преобразован в буфер протокола GraphDef, после чего он будет сокращен, так что подграфы, которые не нужны для вычисления запрошенных выходных данных, таких как операции обучения, будут удалены. Этот шаг можно называть замораживанием графика.

 из keras импортирует бэкэнд как K
 импортировать тензорный поток как tf
def freeze_session (сеанс, keep_var_names = None, output_names = None, clear_devices = True):
 "" "
 Замораживает состояние сеанса в сокращенном графе вычислений.Создает новый граф вычислений, в котором узлы переменных заменяются на
 константы, принимающие свое текущее значение в сеансе. Новый график будет
 обрезаны так подграфы, которые не нужны для вычисления запрошенного
 выходы удалены.
 @param session Сессия TensorFlow, которая должна быть заморожена.
 @param keep_var_names Список имен переменных, которые не следует замораживать,
 или Нет, чтобы заморозить все переменные на графике.
 @param output_names Имена соответствующих выходов графа.@param clear_devices Удалите директивы устройств из графика для лучшей переносимости.
 @return Определение замороженного графа.
 "" "
 из tensorflow.python.framework.graph_util import convert_variables_to_constants
 graph = session.graph
 с помощью graph.as_default ():
 freeze_var_names = list (установить (v.op.name для v в tf.global_variables ()). difference (keep_var_names или []))
 output_names = output_names или []
 output_names + = [v.