Магнитные свойства ферромагнитных материалов.

Ферромагнит­ные материалы благодаря их способности намагничиваться широко применяют при изготовлении электрических машин, аппаратов и других электротехнических установок.

Ферромагнитные материалы, помещенные в магнитное поле, намагничиваются – т.е. сами становятся источниками магнитного поля.

График перемагничивания имеет вид петли, которая называется петлей Гистерезиса(рис.2.8). Явление магнитного гистерезиса заключается в том, что при изменении напряжённости намагничивающего поля Н происходит отставание в изменении магнитной индукции В.

Гистерезис – переводится как запаздывание. Объясняется тем, что молекулярные магнитики недостаточно эластичны: однажды ориентированные внешним магнитным полем, они не возвращаются в первоначальное положение после удаления магнитного поля.

Поместим стержень внутрь катушки и начнём его намагничивать, пропуская через катушку ток. С увеличением тока магнитная индукция сердечника будет возрастать (кривая о-а). При некотором значении тока (I_макс) наступит магнитное насыщение (точка а).

Начнём теперь уменьшать ток до нуля. Магнитная индукция тоже будет изменяться, но не по кривой а-о, а по кривой а-б.

При токе, равном нулю (Н также равна 0), магнитная индукция сохранит некоторое значение о-б (остаточный магнетизм), т.е. произойдёт запаздывание в изменении магнитной индукции по сравнению с изменением напряжённости намагничивающего поля.

Рисунок 2.8. Петля Гистерезиса

Изменим направление тока в катушке. Тогда магнитная индукция, уменьшаясь, станет равной нулю при значении тока (– I₁) (минус означает, что ток проходит в другом направлении). При значении тока (- I_макс) опять наступит магнитное насыщение, но полюсы у сердечника изменятся. В случае изменения тока от (+ I_макс) до (- I_макс) и опять до (+ I_макс) получится кривая изменения магнитной индукции.

На участке А-Б- с увеличением Н возрастает В.

Чтобы размагнитить магнит, необходимо свести к нулю остаточную индукцию. Проще всего это сделать при помощи переменного поля, постепенно удаляя стальной сердечник из него (или удалением поля от сердечника). Петля Гистерезиса при этом будет становиться всё меньше и меньше и затем при слабом поле петля исчезнет, т.е. остаточная индукция станет равна нулю. Для размагничивания обычно используют переменный ток.

Контрольные вопросы

1. Как подразделяются вещества в зависимости от магнитных свойств?

2. Какие вещества называются ферромагнитными?

3. Какие вещества называются парамагнитными?

4. Какие вещества называются диамагнитными?

5. В чём суть петли Гистерезиса?

2.4. Магнитная цепь. Электромагнитные силы

Магнитная цепь –устройство, содержащее сердечники из ферромагнитных материалов, через которые замыкается магнитный поток.

Магнитные цепи являются составными частями электротехнических установок: двигателей, генераторов, трансформаторов, реле и других устройств.

Источником намагничивающей силы является обычно обмотка (катушка) с током или постоянный магнит.

Магнитопроводы предназначены для усиления магнитного потока и придания магнитному полю определенной конфигурации. Иногда магнитопровод может включать воздушные промежутки. В качестве материала для магнитопроводов применяются ферромагнитные материалы.

Ферромагнитные материалы применяют для того, чтобы сосредоточить магнитное поле в определенной части аппарата. Элементы из ферромагнитных материалов с разделяющими их воздушными зазорами составляет магнитопровод (магнитную цепь).

Например:

Магнитная цепь электромагнитного реле (рис.2.9, а) состоит из трёх участков: сердечника 2, якоря 4и двух воздушных зазоров 6. По замкнутому контуру, образованному

Рисунок 2.9. Магнитная цепь

а) электромагнитного реле: 1 – катушка; 2 – сердечник; 3 – магнитный поток;

4 – якорь; 5 – магнитный поток рассеяния; 6 – воздушный зазор;

б) машины постоянного тока: 7 – катушка; 8 – полюса; 9 – якорь; 10 – остов; 11 – воздушный зазор

этими участками, проходит магнитный поток 3, создаваемый током катушки 1. При переходе через воздушные зазоры, разделяющие сердечник и якорь, часть магнитного потока замыкается по воздуху, т.е. не проходит через якорь, - возникает поток рассеяния 5.

Магнитное поле в магнитной цепи электрической машины постоянного тока создаётся током катушек 7 (рис.2.9, б), расположенных на полюсах 8. Эти катушки называют обмотками возбуждения. Создаваемый ими магнитный поток проходит через сердечники

полюсов, вращающуюся часть машины якорь9, воздушные зазоры 11 между полюсами и якорем и замыкается через остов 10.

Способность тока возбуждать магнитное поле оценивается магнитодвижущей силой (м.д.с.). Измеряется в амперах.

Магнитодвижущая сила F проводника с током равна силе этого токаI: F=I.

В общем случае, когда замкнутый контур охватывает несколько токов, то суммарная магнитодвижущая сила равна их алгебраической сумме F=ΣI (Закон полного тока). М.д.с. катушкиFравна произведению тока Iна число её витков w,т.к.замкнутый контур магнитной цепи, сцеплённый с катушкой, охватывает ток Iне один раз, а wраз, т.е.: F=wI.

Закон Ома для магнитной цепи:

«Магнитный поток, проходящий по магнитной цепи, равен магнитодвижущей силе, деленной на магнитное сопротивление цепи».

Ф=F/R_м; R_м=l/µ_аS

Магнитный поток, создаваемый катушкой, зависит от длины магнитной цепиℓ, числа витков w,поперечного сечения S и магнитной проницаемости µ_а: Ф=Iw/ℓ/µ_аS

Чем больше магнитодвижущая сила F,создаваемая катушкой электромагнита, тем больший магнитный поток проходит по его магнитной цепи.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение магнитной цепи.

2. Что является источником намагничивающей силы?

3. Объясните назначение магнитопровода.

4. Почему применяются ферромагнитные материалы для магнитопровода?

5. Принцип работы электромагнитного реле.

6. Принцип работы электрической машины постоянного тока.

7. Сформулируйте закон Ома для магнитной цепи.

2.5. Электромагнитная индукция.

Самоиндукция. Взаимоиндукция

«При всяком изменении магнитного потока в цепи индуцируется э.д.с.»(закон электромагнитной индукции Фарадея). Должно выполняться одно из двух условий:

· проводник должен перемещаться в магнитном поле или

· магнитное поле должно перемещаться вокруг проводника.

1. Как движение электрона создаёт магнитное поле, так и магнитное поле пересекая проводник, вызывает направленное движение свободных электронов в проводнике, т.е. ток.

Ни один вид энергии не может быть получен без затраты какого-либо другого вида энергии. Так, если магнит лежит около проводника, то в проводнике никакого тока не будет. Он возникает только при перемещении магнита около проводника или проводника около магнита. В этом случае механическая энергия превращается в электрическую.

Индуцированная э.д.с. прямо пропорциональна индукции магнитного поля В, длине проводника ℓ, скорости его перемещения V в направлении, перпендикулярном силовым линиям поля.е = В∙ℓ∙V.

Если проводник движется под углом αк направлению поля, тое = В∙ℓ∙V∙sinα.

Возникновение э.д.с. объясняется действием сил магнитного поля на находящиеся в проводниках свободные электроны, которые начинают двигаться вдоль проводника. В результате этого движения на одной стороне проводника накопятся свободные электроны и возникнет отрицательный электрический заряд. На другом конце ввиду недостатка электронов появится положительный заряд. Разность потенциалов на концах проводника численно равна индуцированной в проводнике э.д.с.

Индуцирование э.д.с. в проводнике происходит независимо от того, включён он в электрическую цепь или нет. Если присоединить концы этого проводника к приёмнику электрической энергии, то под влиянием разности потенциалов на концах проводника по замкнутой цепи потечёт электрический ток.

Если проводник перемещается вдоль силовых линий, т.е. как бы скользит по ним, то э.д.с. в нём не возникает.

Направление индуцированной э.д.с. определяется по правилу правой руки(рис.2.11):

«Если ладонь правой руки расположить так, чтобы силовые линии поля входили в ладонь, большой отогнутый палец совместить с направлением движения проводника, то вытянутые четыре пальца укажут направление индуцированной э.д.с.».

Рисунок 2.10. Рисунок 2.11.

Проводник в постоянном Правило правой руки

магнитном поле

2. Если каким-либо образом изменять магнитный поток, пронизывающий неподвижный виток, или перемещать само поле, то индуцированная э.д.с. e = ΔΦ/Δt

Направление э.д.с. в неподвижном замкнутом контуре определяется по закону Максвелла:

Э.д.с., индуцированная в замкнутом контуре, равна скорости изменения магнитного потока ΔΦ, пронизывающего этот контур.Δt –промежуток времени, в течение которого происходит изменение потока.

Иными словами, чем быстрее изменяется магнитный поток, пронизывающий замкнутый контур, тем больше индуцированная э.д.с.

Правило Ленца:

«Направление индуктированного тока всегда таково, что он противодействует причине, вызвавшей его»(например, движению проводника).

Индукционные токи возникают не только в изолированных проводниках и обмотках, но и в сплошных металлических массах, которые подвергаются действию изменяющихся магнитных полей. Эти токи называются вихревыми и вызывают дополнительные потери на нагревание. Для ослабления вихревых токов сердечники электрических машин собирают из отдельных изолированных пластин.

Рисунок 2.12. Способы индуцирования э.д.с. в электрических машинах

На принципе явления электромагнитной индукции основано устройство электрических генераторов, двигателей и трансформаторов. Для индуцирования э.д.с. в них применяется три способа:

· изменение тока в катушке 1 (рис.2.12.а), в магнитном поле которой расположена вторая катушка 2. При этом непрерывно изменяется магнитный поток, охватываемый второй катушкой, и в ней, а также и в первой катушке, будут индуцироваться электродвижущие силы е₂ и е₁. Этот способ используют в трансформаторах.

· вращение магнитного поля, созданного постоянными магнитами или электромагнитами 3, относительно неподвижных катушек 4 (рис.2.12.б). При этом непрерывно изменяется магнитный поток, пронизывающий каждую катушку, и в них индуцируется э.д.с. е. Такой способ используют в основном в машинах переменного тока.

· вращение витков 6 или катушек в постоянном магнитном поле, созданном неподвижными постоянными магнитами 5 или электромагнитами (рис. 2.12.в). При этом непрерывно изменяется магнитный поток, охватываемый каждым витком или катушкой, вследствие чего в них индуцируется э.д.с. Этот способ используют в машинах постоянного тока.