ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА Законы электромагнитного поля

Магнитное поле Магнетизм относится к числу основных, фундаментальных явлений природы, и магнитные свойства вещества могут быть поставлены в один ряд с массой и электрическим зарядом. Магнетизм так же, как и электричество, был замечен человеком несколько тысячелетий назад. Разумеется, этот новый вид притягивающих сил так же, как и электричество, в те времена нельзя было объяснить. Их можно было только назвать. И назвали новые, ни на что другое не похожие свойства вещества магнитными свойствами, магнетизмом. Потому, что эти свойства, эта загадочная способность притягивать железо, были обнаружены у руды из месторождений вблизи города Магнезия, одного из древних городов Малой Азии. От этой Магнезии и пошло слово магнит.

Магнитное поле Непосредственную связь между электричеством и магнетизмом открыл в 1819 г. датский профессор физики Ганс Эрстед. Проводя опыты, ученый обнаружил, что всякий раз, когда он включал ток, магнитная стрелка, находящаяся поблизости от проводника с током, стремилась повернуться перпендикулярно проводнику, а когда выключал, магнитная стрелка возвращалась в исходное положение. Ученый сделал вывод: вокруг проводника с током возникает магнитное поле, которое воздействует на магнитную стрелку.

Магнитное поле Направление магнитного поля в каждой точке пространства может быть определено при помощи магнитной стрелки, помещенной в эту точку. Условно направление силовых линий магнитного поля рисуют от северного (N) к южному (S) полюсу. Силовые линии являются замкнутыми. Распределение силовых линий между полюсами плоского магнита можно обнаружить при помощи стальных опилок, насыпанных на лист бумаги, размещенный на полюсах.

Магнитное поле Знакомство с магнетизмом так же, как и с электричеством, начинается с простейших опытов. Магнит, притягивающий к себе железную булавку, и изменяющий направление компаса, приводил в восторг не одно поколение людей. Силы магнитного поля не видны человеку. Только приспособления и приборы могут определить его наличие и силу.

Магнитное поле Из простейших опытов с компасом и проводом с постоянным током можно сделать вывод: магнетизм порождается электрическим током, и чем сильнее ток в проводнике, тем более сильным магнитом становится этот проводник. Магнитное поле представляет собой особую форму материи: невидимое, неслышимое, неосязаемое.

Магнитное поле Глубокие исследования привели к еще более категорическому выводу: никакого самостоятельного магнетизма вообще нет. Магнетизм порождается электричеством, магнитные свойства появляются у движущихся электрических зарядов, и только у движущихся электрических зарядов и его действие распространяется тоже лишь на движущиеся заряды.

Магнитное поле Магнитное и электрическое поля неразрывны и образуют совместно единое электромагнитное поле. Под влиянием сил магнитного поля движущиеся заряженные частицы отклоняются от своего первоначального пути в направлении, перпендикулярном полю.

Магнитное поле При прохождении тока по прямолинейному проводнику вокруг него возникает круговое магнитное поле. Магнитные силовые линии этого поля располагаются по концентрическим окружностям, в центре которых находится проводник с током. Направление магнитного поля всегда находится в строгом соответствии с направлением тока, проходящего по проводнику.

Магнитное поле Это направление можно определить по правилу буравчика, т.е. мысленно ввинчивать буравчик в провод по направлению тока, то направление вращения его рукоятки будет совпадать с направлением магнитных силовых линий поля.

Магнитное поле Например, если ток проходит по проводнику в направлении от нас (это направление условно показывают крестом) то магнитное поле, возникающее вокруг этого проводника, направлено по часовой стрелке. Если ток по проводнику проходит по направлению от плоскости к нам (это направление условно показывают точкой), то магнитное поле вокруг проводника направлено против часовой стрелки.

Магнитное поле Рассмотрим магнитные свойства атома. Каждый электрон сам по себе обладает некоторыми магнитными свойствами, и, кроме того, в каждом атоме есть свои внутренние электрические токи движение электронов по орбитам. Именно эти орбитальные токи вместе с собственным магнетизмом электронов могут превратить атом в микроскопический магнит.

Магнитное поле Но у всех веществ эти микроскопические магниты взаимно нейтрализуют друг друга, а у постоянных магнитов магнитные свойства многих атомных токов- магнитов суммируются. Постоянные магниты своими магнитными свойствами обязаны движению зарядов в доменных структурах.

Магнитное поле Основным элементом магнитных цепей является катушка индуктивности: ток последовательно проходит по нескольким виткам провода, и их магнитные поля суммируются. Чем больше витков у катушки, тем сильнее ее суммарное магнитное поле. А кроме того, поле, как всегда, зависит от тока, и поэтому способность катушки создавать магнитное поле (при данной конкретной величине тока) иногда оценивают ампер-витками произведением тока I в амперах на число витков w. Это произведение называют магнитодвижущей силой (МДС).

Магнитное поле Полярность конца катушки можно определить так же, как и полярность постоянного магнита, при помощи магнитной стрелки. К северному полюсу магнитная стрелка поворачивается своим южным концом, к южному полюсу она поворачивается северным концом. Катушка с током представляет собой искусственный электрический магнит. Обычно для усиления магнитного поля внутрь катушки вставляют стальной сердечник (ферромагнетик); такое устройство называется электромагнитом.

Магнитное поле 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.

Магнитное поле Величиной, характеризующей магнитные свойства среды, служит магнитная проницаемость. В среде с большей магнитной проницаемостью электрический ток определенной величины создает магнитное поле большей интенсивности. В зависимости от значения относительной магнитной проницаемости μ вещества принято делить на три типа – диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Ферромагнитные и парамагнитные вещества в разной степени усиливают магнитное поле, диамагнитные ослабляют его. Можно во много раз усилить магнитное поле катушки, если вставить а нее сердечник из так называемых ферромагнитных веществ.

Магнитное поле К числу ферромагнитных относятся железо (сталь), никель, кобальт, а также некоторые специальные сплавы и специальная керамика, содержащая окислы железа. Ферромагнетики способны образовывать ячеистую структуру состоящую из доменов. Это происходит для уменьшения общей энергии ферромагнетика, т.е. создаются наиболее экономичные структуры

Магнитное поле Внешнее магнитное поле действует на кольцевые токи в атомах доменных структур ферромагнитного вещества таким образом, что эти микроскопические магниты поворачиваются в одну сторону и начинают создавать свое собственное магнитное поле, которое может оказаться во много раз сильнее внешнего, созданного током в катушке. Число, которое показывает, во сколько раз в том или ином веществе реальные магнитные силы превышают магнитные силы внешних полей, называют относительной магнитной проницаемостью μ.

Магнитное поле Олово 1,000004Графит 0, Алюминий 1,000023Ртуть 0, Платина 1,00036Серебро 0, Марганец 1,0004Медь 0,99991 Кобальт 174Мягкая сталь 2200 Чугун неотожженный 240Трансформаторная сталь 7500 Чугун отожженный 620Вакуумное железо Никель 1120Пермаллой Относительная магнитная проницаемость μ некоторых веществ

Магнитное поле У стали магнитная проницаемость около Это значит, что внутри стального сердечника, вставленного в катушку, магнитные силы в семь тысяч раз сильнее, чем внутри той же катушки, но без сердечника. Если в катушку вставлен стальной или иной ферромагнитный сердечник, то магнитное поле значительно усиливается и в нем самом, и во всей области вблизи катушки.

Магнитное поле Все остальные вещества, кроме ферромагнитных, незначительно влияют на реальные магнитные силы. При этом некоторые вещества (парамагнитные) незначительно увеличивают эти силы, а другие (диамагнитные) незначительно ослабляют их.

Магнитное поле К парамагнитным материалам относятся алюминий, олово, хром, марганец, платина, вольфрам, растворы солей железа и др. Они намагничиваются очень слабо, поэтому к магнитам парамагнитные материалы притягиваются в сотни раз слабее, чем ферромагнитные материалы.

Магнитное поле В парамагнитных веществах эти магнитики расположены совершенно беспорядочно. Во внешнем поле они стремятся повернуться в направлении действия силовых магнитных линий этого поля, т. е. установиться в правильном порядке относительна внешнего поля. Однако этому препятствует непрерывное тепловое движение атомов, которое расшатывает правильный строй атомных магнитов, вследствие чего намагнитить парамагнитные материалы не представляется возможным.

Магнитное поле К диамагнитным материалам относятся медь, серебро, золото, свинец, цинк, смола, вода, воздух, большая часть газов и пр. Они намагничиваются так же слабо, как и парамагнитные материалы, но к магнитам не притягиваются, а, наоборот, отталкиваются.

Магнитное поле У диамагнитных веществ электроны вращаются так, что действие одних полей полностью уничтожается действием других, и атом диамагнитного вещества нейтрален в магнитном отношении. Однако при внесении диамагнитного вещества во внешнее магнитное поле атомы этого вещества начинают быстро вращаться и получают магнитные свойства; они становятся как бы элементарными магнитиками. При этом магнитные поля этих элементарных магнитов ориентируются так, что северные их полюсы устанавливаются против северного полюса внешнего поля; в результате между атомом и намагнитившим его внешним полем возникают силы отталкивания.

Магнитное поле Атомы в любом твердом теле совершают колебательное движение вокруг положений равновесия. Энергия колебательного движения атомов тем более, чем выше температура тела, поэтому такое движение атомов называется тепловым. При высоких температурах тепловое движение атомов сильно возрастает, вследствие чего строй элементарных магнитиков нарушается и ферромагнитное вещество перестает отличаться по своим магнитным свойствам от парамагнитного. У никеля это наступает при температуре 350°С, у железа при 770°С, у кобальта при 1000°С. Эта температура называется температурой Кюри.

Магнитное поле В качестве единицы магнитных свойств, единицы магнетизма, выбраны магнитные свойства проводника, по которому идет ток в 1 ампер. Напряженность поля (H) показывает, с какой силой магнитное поле в данной точке действовало бы на определенный пробный магнит, например, на проводник с током в 1 А, если бы действие происходило в вакууме. Напряженность поля это абсолютно чистая характеристика: она говорит только о возможности магнита, который создает магнитное поле. Единица напряженностиампер на метр (А/м). Магнитное поле с такой напряженностью появляется на расстоянии 16 сантиметров от проводника, по которому идет ток в 1 ампер.

Магнитное поле Если напряженность говорит о том, что могло бы делать магнитное поле, то вторая характеристика индукция говорит о том, что оно делает, с учетом среды. Магнитная индукция (В) показывает силу, с которой поле в данной точке действует на пробный магнит. Чем сильнее магнитное поле, созданное постоянным магнитом или электромагнитом, тем большую оно имеет индукцию. Магнитную индукцию можно характеризовать плотностью силовых магнитных линий, т. е. количеством силовых линий, проходящих через площадку в 1 см 2, расположенную перпендикулярно магнитному полю. Единица магнитной индукции тесла (Т или Тл).

Магнитное поле Магнитная индукция – векторная величина: в каждой точке поля вектор магнитной индукции направлен по касательной к магнитным силовым линиям.

Магнитное поле Если в равномерное магнитное поле, созданное мощным магнитом, поместить проводник, по которому протекает ток в 1 А, то магнитное поле действует на такой проводник силой в 1 Н (ньютон), и в каждой точке поля, через которую этот проводник проходит, магнитная индукция составляет 1 Тл. Довольно часто вместо теслы пользуются другой, более мелкой единицей магнитной индукции из другой системы единиц. Это гаусс (Гс), который в раз меньше теслы (1 Тл = Гс; 1 Гс = 0,0001 Тл).

Магнитное поле Магнитное поле вблизи сильного магнита может достигать нескольких десятков тысяч Гс, то есть нескольких Тл. Магнитное поле вблизи стрелки компаса едва превышает сотню Гс (0,01 Тл). Магнитное поле Земли вблизи ее поверхности может быть меньше 0,01 Гс (0, Тл). Магнитная индукция и напряженность связаны между собой соотношением μ0 = 4π·10 -7

Магнитное поле Магнитный поток можно определить так: выделяют площадку, перпендикулярную направлению магнитных сил, и смотрят, чему равна магнитная индукция не в одной какой-нибудь точке, а на всей площадке. Магнитную индукцию можно сравнить с весом одной дождевой капли, а магнитный поток - с весом всех капель, ударяющих в данную минуту по площадке, где идет дождь. Величина индукции, умноженная на площадь площадки, и называется магнитным потоком.

Магнитное поле где: E M =I·w магнитодвижущая сила (МДС) R M =L/μμ 0 S магнитное сопротивление, 1/Гн. Единица магнитного потока в системе СИ вебер (Вб), он соответствует индукции в 1 Тл, действующей на площади 1 м 2. Закон Ома для магнитной цепи

Магнитное поле Большое практическое значение, особенно в электрических машинах и установках переменного тока, имеет процесс перемагничивания ферромагнитных материалов. На рис. показан график изменения индукции B при намагничивании и размагничивании ферромагнитного материала (при изменении намагничивающего тока I или напряженности магнитного поля H).

Магнитное поле Как видно из этого графика, при одних и тех же значениях напряженности магнитного поля магнитная индукция, полученная при размагничивании ферромагнитного тела (часть аб кривой изменения индукции), будет больше индукции, полученной при намагничивании (часть Оа указанной кривой).

Магнитное поле Явление отставания, или запаздывания, изменений магнитной индукции от соответствующих изменений напряженности внешнего поля называется магнитным гистерезисом. Сохранение же в ферромагнитном материале магнитного поля после прекращения протекания намагничивающего тока называется остаточным магнетизмом.

Магнитное поле Следовательно, при перемагничивании ферромагнитного вещества, например, при постепенном намагничивании и размагничивании стального сердечника электромагнита кривая изменения индукции получает петлеобразный характер; ее называют петлей гистерезиса

Магнитное поле Когда напряженность поля (намагничивающий ток) будет доведена до нуля, индукция в ферромагнитном материале не уменьшается до нуля, а сохраняет некоторое значение, соответствующее отрезку Об. Это значение называется остаточной индукцией.

Магнитное поле Возникновение остаточного магнетизма объясняется тем, что имеющиеся в ферромагнитном веществе немагнитные включения затрудняют поворот элементарных магнитиков. В чистом железе, никеле, кобальте таких посторонних включений мало, поэтому намагничивание идет легко, а после прекращения его материал почти полностью размагничивается, так как элементарные магнитики под действием теплового движения атомов легко возвращаются в первоначальное беспорядочное состояние. Поэтому из чистого однородного железа никогда не удается изготовить постоянный магнит.

Магнитное поле В стали, где имеется много посторонних включений (частички углерода, серы, фосфора, кремния, марганца и пр.), для поворота элементарных магнитиков требуется значительно более сильное магнитное поле, чем для железа, и поворот их связан с затратой большего количества энергии. Размагничивание также затруднено и не происходит до конца, так как посторонние включения тормозят обратный поворот элементарных магнитиков; поэтому в стали остается остаточный магнетизм. Чем больше коэрцитивная сила (на рис. отрезок Ов) ферромагнитного материала, тем более сильный магнит можно из него приготовить.

Магнитное поле При периодическом перемагничивании ферромагнитного вещества элементарные магнитики непрерывно поворачиваются, на что затрачивается определенная энергия. Эта энергия выделяется в виде тепла, вызывая нагревание ферромагнитного вещества. Потери энергии, связанные с процессом перемагничивания стали, называются потерями на гистерезис, величина этих потерь при каждом цикле перемагничивания пропорциональна площади петли гистерезиса. В зависимости от ширины петли гистерезиса ферромагнитные материалы разделяются на магнитно-мягкие и магнитно-твердые

Магнитное поле Магнитно-мягкие материалы обычно используют для работы в переменном магнитном поле, так как малая ширина петли гистерезиса обусловливает сравнительно малые потери энергии при перемагничивании. К магнитно-мягким материалам относятся электротехническая сталь, обычные стали и пр.

Магнитное поле В частности, электротехническая сталь обладает малой коэрцитивной силой и имеет весьма высокую магнитную проницаемость, что делает ее наилучшим материалом для изготовления различных магнитопроводящих частей в электрических машинах и аппаратах. Еще большую магнитную проницаемость и меньшую коэрцитивную силу имеют специальные сплавы железа и никеля пермаллой и др., которые применяются в радиотехнике и телефонии.

Магнитное поле Магнитно-твердые материалы находят применение для изготовления постоянных магнитов, используемых в электроизмерительных приборах, телефонах, некоторых реле и пр. К ним относятся сплавы из железа, кобальта, никеля и алюминия (кобальтовая сталь и пр.).

Магнитное поле Существует также особая группа ферромагнитных материалов, называемых магнитодиэлектриками. Они состоят из мельчайших частичек (порошков) ферромагнитного материала с большой магнитной проницаемостью, связанных между собой частичками смолы. Отличительной особенностью магнитодиэлектриков является довольно постоянная магнитная проницаемость и узкая петля гистерезиса. Поэтому они применяются для изготовления сердечников катушек, работающих при переменном токе высокой частоты (в телефонии и радиотехнике).

Магнитное поле Для того чтобы сосредоточить магнитное поле в определенной части электрической машины, аппарата или прибора, в конструкции этих устройств широко применяются различного рода магнитопроводы, выполненные из ферромагнитных материалов, через которые замыкается магнитный поток электромагнитов или постоянных магнитов. Совокупность этих магнитопроводов с разделяющими их воздушными зазорами составляет магнитную цепь электрической машины, аппарата или прибора.

Магнитное поле Магнитная цепь электромагнитного реле включает в себя три участка: сердечник с катушкой, якорь и два воздушных зазора. Магнитное поле в этой цепи создается током катушки; создаваемый ею магнитный поток замыкается через сердечник, якорь и воздушные зазоры.

Магнитное поле При переходе через воздушные промежутки, разделяющие различные ферромагнитные детали, часть магнитного потока рассеивается, поэтому магнитный поток в якоре будет меньше магнитного потока в сердечнике.

Магнитное поле Дроссель, состоит из Ш-образного и прямоугольного (якорь) ферромагнитных сердечников, разделенных тонкими картонными прокладками. На среднем стержне сердечника располагается катушка. Магнитный поток в обоих случаях концентрируется внутри сердечников.

Магнитное поле В большинстве электротехнических устройств магнитный поток замыкается по цепи, состоящей из нескольких участков, например k. В пределах каждого из этих участков напряженность магнитного поля можно считать постоянной. В этом случае МДС (магнитодвижущая сила) равна сумме произведений напряженностей поля на длины соответствующих участков магнитной цепи: Это уравнение выражает закон полного тока для магнитной цепи.

Магнитное поле Задача 1. Катушка имеет 265 витков и расположена на среднем стержне сердечника, изготовленного из стали Э1А. Определить, какой надо пропустить по катушке ток, чтобы в правом стержне сердечника создавался поток Ф=1,6·10 -3 Вб. Рассеяние потока не учитывать.

Магнитное поле Задача 1. Катушка имеет 265 витков и расположена на среднем стержне сердечника, изготовленного из стали Э1А. Определить, какой надо пропустить по катушке ток, чтобы в правом стержне сердечника создавался поток Ф=1,6·10 -3 Вб. Рассеяние потока не учитывать. Решение. Разветвленная несимметричная магнитная цепь может быть разбита на четыре участка, имеющих следующие длины средних индукционных линий: Площади поперечного сечения отдельных участков равны

Магнитное поле Задача 1. Катушка имеет 265 витков и расположена на среднем стержне сердечника, изготовленного из стали Э1А. Определить, какой надо пропустить по катушке ток, чтобы в правом стержне сердечника создавался поток Ф=1,6·10 -3 Вб. Рассеяние потока не учитывать. Решение. По заданному магнитному потоку определяем магнитную индукцию в воздушном зазоре и в первом участке цепи: Напряженности поля: Вб/см 2 А/см

Магнитное поле Задача 1. Катушка имеет 265 витков и расположена на среднем стержне сердечника, изготовленного из стали Э1А. Определить, какой надо пропустить по катушке ток, чтобы в правом стержне сердечника создавался поток Ф=1,6·10 -3 Вб. Рассеяние потока не учитывать. Решение. Чтобы найти напряженность магнитного поля на третьем участке, рассмотрим внешний контур магнитной цепи и, пользуясь вторым законом Кирхгофа для магнитной цепи, напишем для этого контура следующее уравнение:

Магнитное поле Задача 1. Катушка имеет 265 витков и расположена на среднем стержне сердечника, изготовленного из стали Э1А. Определить, какой надо пропустить по катушке ток, чтобы в правом стержне сердечника создавался поток Ф=1,6·10 -3 Вб. Рассеяние потока не учитывать. Решение. Откуда: А/см

Магнитное поле Задача 1. Катушка имеет 265 витков и расположена на среднем стержне сердечника, изготовленного из стали Э1А. Определить, какой надо пропустить по катушке ток, чтобы в правом стержне сердечника создавался поток Ф=1,6·10 -3 Вб. Рассеяние потока не учитывать. Решение. По кривой намагничивания находим магнитную индукцию: Вб/см 2

Магнитное поле Задача 1. Катушка имеет 265 витков и расположена на среднем стержне сердечника, изготовленного из стали Э1А. Определить, какой надо пропустить по катушке ток, чтобы в правом стержне сердечника создавался поток Ф=1,6·10 -3 Вб. Рассеяние потока не учитывать. Решение. Магнитный поток Вб Магнитный поток на втором участке равен сумме потоков первого и третьего участков, т. е. Вб

Магнитное поле Задача 1. Катушка имеет 265 витков и расположена на среднем стержне сердечника, изготовленного из стали Э1А. Определить, какой надо пропустить по катушке ток, чтобы в правом стержне сердечника создавался поток Ф=1,6·10 -3 Вб. Рассеяние потока не учитывать. Решение. Магнитная индукция и напряженность магнитного поля на втором участке будут соответственно равны: Вб/см 2 А/см

Магнитное поле Задача 1. Катушка имеет 265 витков и расположена на среднем стержне сердечника, изготовленного из стали Э1А. Определить, какой надо пропустить по катушке ток, чтобы в правом стержне сердечника создавался поток Ф=1,6·10 -3 Вб. Рассеяние потока не учитывать. Решение. Для контура, состоящего из второго и третьего участков, находим МДС. А Ток в катушке будет равен А*витков