Принцип действия прибора магнитоэлектрической системы.

Устройство прибора магнитоэлектрической системы, который может служить для измерения тока, напряжения и т.п. показано на рис. 5.1. Полюсные наконечники постоянного магнита имеют цилиндрическую расточку, в которой по оси установлен стальной сердечник. Между полюсами и сердечником образуется зазор с радиальным магнитным полем, индукция которого одинакова по величине во всех точках зазора. Рамка (см.рис. 5.1), укрепленная на оси, может вращаться в межполюсном зазоре. При вращении две ее стороны (на рис. 5.2 они перпендикулярны) постоянно пересекают радиальное магнитное поле в зазоре.

Для уменьшения трения ось рамки оканчивается стальными кернами, опирающимися на подпятники, изготовленные из агата, рубина или корунда. С осью жестко связана стрелка прибора.

При включении прибора в электрическую цепь ток проходит по виткам рамки. При этом на каждую сторону рамки, расположенную в магнитном поле зазора, действует сила F. С учетом числа витков рамки kсогласно закону Ампера (4) имеем

F=k·B·I·l₁ (5)

Здесь B – величина магнитной индукции в зазоре;

I – сила тока в рамке;

l₁ – длина той стороны рамки, которая расположена в зазоре.

Направление силы F определяется правилом “левой руки”. Каждая из сил F создает вращающий момент рамки, равный

,

где l₂ – длина стороны рамки, не помещенной в зазор.

Направление вектора М₁ можно определить по правилу “правого винта”: если вращать винт так, как вращает рамку приложенная сила, то поступательное движение винта указывает направление вектора М₁. На рис. 5.2 М₁ направлен по оси вращения рамки к нам и обозначен точкой.

Момент пары сил, приложенных к рамке, равен

М=2·М₁= k·B·I·l₁·l₂=k·B·I·S, (6)

где S – площадь рамки. Он направлен так же, как М₁.

Величину k·I·Sобозначают Р_m и называют магнитным моментом рамки. Эту величину вводят как вектор и направляют по положительной нормали к рамке с током. Следовательно, P_m= k·I·S·n,

где n – единичный вектор вдоль положительной нормали к рамке.

С введением вектора P_m выражение (5) можно записать в векторной форме:

М =[Р_m·B], (7)

здесь В – магнитная индукция в тех местах зазора, где расположена рамка.

Используя закон Ампера, нетрудно показать, что формула (7) справедлива также в случае, когда рамка с током расположена в однородном магнитном поле с индукцией B.

При изменении направления тока в рамке направление каждой из сил F изменится на противоположное, и, следовательно, стрелка будет отклоняться в другую сторону от положения равновесия. Поэтому магнитоэлектрический измерительный механизм пригоден только в цепях постоянного тока.

Для компенсации момента М служат пружины, скрепленные одним концом с осью рамки. При повороте рамки пружины создают момент сил упругости, пропорциональный углу поворота рамки j:

N= C·j, (8)

здесь С – жесткость пружины. Момент N всегда направлен противоположно вращающему моменту М.

Пока угол поворота j мал (|М|>|N|) рамка продолжает вращаться под действием результирующего момента М-N. При этом уголj увеличивается и вместе с ним увеличивается и N. Это происходит до тех пор, пока момент сил упругости пружин N не станет равным вращающему моменту М. Следовательно, угол, соответствующий установившемуся положению равновесия рамки, будет удовлетворять, согласно (6) и (8), равенству:

C·j = k·B·I·S (9)

Из формулы (9) следует, что угол поворота рамки пропорционален току в ней. Поэтому шкала прибора магнитоэлектрической системы равномерная.

По формуле (9) индукция магнитного поля в зазоре

, (10)

что позволяет определить ее опытным путем, если измерить каким-либо образом величины С, j, k, S.