Віхрові струми. Втрати в сталі

Згідно правилу Ленца у провіднику виникають індуковані струми. Якщо провідник рухається у магнітному полі, то ці індуковані струми виявляються короткозамкненими у речовині провідника. Ці струми називають віхрові (кільцеві) чи струмами Фуко - в ім’я французького вченого, який їх відкрив та вивчив. Вони у свою чергу створюють магнітне поле, яке протидіє руху провідника. Наприклад, якщо в обмотці котушки з масивним стальним осердям проходе змінний струм, то в осерді наводяться віхрові струми, які замикаються у площині, яка перпендикулярна вектору магнітної індукції. Також, віхрові струми виникають при обертанні в магнітному полі якоря електричної машини.

Внаслідок віхрових струмів виділяється велика кількість тепла, що приводе до нагріву сталі й втрат електроенергії. Також вони чинять розмагнічення, створюючи МРС, яка направлена назустріч основної МРС (правило Ленца). Тобто в електричних машинах та апаратах ці струми небажані - вони викликають додаткові втрати й приводять до зниження ККД.

При суцільному осерді площа перетину шляхів замикання струмів велика, отже їх опір малий і струми можуть досягти великих значень. Для їх зменшення осердя електричних машин та апаратів виготовляють не суцільним, а збирають з тонких пластин (товщиною 0,2 ÷ 0,5 мм ), ізольованих один від одного лаком. Щоб віхрові струми були мінімальні, поверхні листів осердя розміщують паралельно магнітним лініям. Таке виконання магнітопроводу дає значне збільшення опору шляхів замикання струмів й приводить до їх зменшення.

Також, для виготовлення осердя використовують спеціальний сорт сталі з великим питомим опором - леговане залізо, яке містить до 4,8% кремнію. Домішок кремнію не змінює магнітних властивостей заліза, але збільшує його питомий опір, внаслідок чого зменшуються віхрові струми й втрати електроенергії.

Питома потужність втрат у сталі від віхрових струмів, як й втрати від гістерезису, залежить від матеріалу, максимальної магнітної індукції та від кількості циклів перемагнічування у секунду (частоти перемагнічування). Позначається - .

Теплова дія віхрових струмів знайшла й корисне використання: в електрометалургії - індукційні печі для отримання високоякісних сплавів; також для закалювання деталей, інструментів й для сушки матеріалів, нагріву рідин та газів у металевих сосудах. В цих приладах нагріваєму деталь поміщують у змінне магнітне поле, яке породжується струмом у котушці-індукторі.

Якщо маятник з суцільного куска алюмінію чи міді привести до руху між полюсами електромагніта, то при відключеному струмі в котушці магніту, маятник качається. При ввімкненні струму виникають віхрові струми й маятник зупиняється. Тобто, віхрові струми викликають гальмування. Якщо в маятнику зробити смуги, то струми Фуко зменшуються й маятник зупиняється за більший час. Чим більше смуг, тим менше віхрові струми й гальмування маятника. Цю властивість віхрових струмів використовують для приладів заспокоювачів стрілок гальванометрів й в індукційних лічильниках електроенергії для гальмування обертів алюмінієвого диску лічильника.

Втрати в магнітопроводі від гістерезису та віхрових струмів називають втратами в сталі - .

Для визначення втрат у сталі на практиці використовують довідники, в яких вже вказана питома потужність загальних втрат у сталі (від гістерезису та віхрових струмів) в залежності від значення амплітуди магнітної індукції та марки сталі:

де - маса сталі магнітопроводу, кг

Магніти

Постійні магніти

Тіла, які постійно притягують до себе залізо, нікель, кобальт тощо, називаються постійними магнітами. Залізна руда, яка називається магнітним залізняком, володіє властивостями притягувати до себе залізні предмети. Кусок такої руди є природним постійним магнітом. Залізо, нікель, кобальт, сталь, хром та деякі сплави у присутності цієї руди придбають магнітні властивості. Постійний магніт можна отримати шляхом введення стального стрижня усередину котушки, по якій протікає струм. Але усі переліченні тіла, за виключенням сталі та спеціальних сплавів, втрачають магнітні властивості при віддалені тіла, яке їх намагнітило. А в сталі за рахунок перемагнічування доменів у напрямку зовнішнього магнітного поля вісі обертання електронів стають паралельні один одному. Взаємодія між доменами може зберігатися довго і після вилучення стального осердя з котушки. Таке осердя буде постійним магнітом й утворить навколо себе сильне магнітне поле. Тому сталь, особлива вольфрамова, хромова та кобальтова, є матеріалом для виготовлення штучних магнітів. Магнітні властивості магніту можуть бути визначені по вазі усіх залізних предметів, які він утримує після притяжіння. Магніт володіє найбільшою силою притяжіння на кінцях, які називаються полюсами магніту. По мірі приближення до середини середньої частини магніту ця сила зменшується й посередині дорівнює нулю, так звана нейтральна лінія.

Якщо підвісити магніт на ніті, то він встановлюється так, що один кінець його буде звернений на північ (цей кінець називають північним магнітним полюсом), а інший - на південь (цей кінець називають південним магнітним полюсом). Для зручності використовують стрілку, яка вільно обертається навколо вертикальної вісі (наприклад, у компасі). Дослідно встановлено, що однойменні полюса магнітів взаємно відштовхуються, а різнойменні - взаємно притягуються. Стрілка компаса повсюдно приймає певний напрямок (приблизно уздовж географічного меридіана), отож, Земля є надвеликим магнітом. Її південний магнітний полюс знаходиться поблизу північного географічного полюсу, а північний магнітний полюс - біля південного географічного полюсу. Тому, стрілка компасу увесь час встановлюється своїм північним полюсом на географічний північ й навпаки.

Постійні магніти використовуються для створення магнітного поля у пристроях автоматики, телемеханіки, зв’язку, вимірювальної техніки тощо. Виготовляють їх з магніто – твердих феромагнітних матеріалів, які володіють високою залишковою індукцією й великою коерцитивною силою. Його властивості характеризуються ділянкою петлі гістерезису при та , яку називають кривою розмагнічування гістерезисного циклу. Якість матеріалу для виготовлення магнітів визначається добутком залишкової індукції (В_З) й коерцитивної сили (Н_К). Чим більше цей добуток, тим краще матеріал для виготовлення магнітів. Отримують криву розмагнічування при розмагнічуванні попередньо намагніченого до стану насищення замкненого магнітопроводу з феромагнітного матеріалу, але звичайно коло постійного магніту не замкнено. Воно складається з магніту, приєднаної до його кінців арматури з магніто – м’якої сталі, й повітряних зазорів, які викликають зменшення залишкової індукції при зрівнянні з тою, яку отримали би при замкненому магнітному колі. Введення повітряного зазору у магнітне коло еквівалентно розмагніченій дії деякого уявного струму, направленого зворотно струму в обмотці при намагнічуванні без зазору. Тобто, повітряний зазор викликає розмагнічену дію.

Рисунок 8.1 - Крива розмагнічення матеріалу магніту

Знаючи коефіцієнт розмагнічення, за кривою розмагнічення матеріалу магніту (рис.8.1) можна визначити магнітну індукцію у магніті, тобто у точці А. Тангенс кута α визначає коефіцієнт розмагнічення:

,

де та - масштаби напруженості та магнітної індукції,

- довжина повітряного зазору, м

- довжина магніту, м

Таким чином, коефіцієнт розмагнічення прямо пропорційний довжині повітряного зазору й зворотно пропорційний довжині магніту.

Електромагніти

Соленоїд (котушка з залізним чи стальним осердям) називається електромагнітом. Вони володіють більшими магнітними полями ніж котушки без сталі.

Під дією магнітного поля струму, який протікає по соленоїду, намагнічується осердя й утворюється сильний електромагніт, який відрізняється від постійного магніту тим, що:

1 притяжіння завжди можна припинити,

2 силу притяжіння електромагніта можна змінювати,

3 він може мати набагато сильніше магнітне поле.

Полюса електромагнітів визначаються за правилом свердлика чи правилом правої руки для котушки. Електромагніти мають різну форму й величину. Руські вчені Б.С.Якобі й Е.Х.Ленц уперше дослідили й визначили силу притяжіння електромагнітів.

Розглянемо електромагніт стрижньової форми з циліндричним стальним осердям, на який нанесена обмотка. Коли скрізь обмотку пропустити струм, то в котушці виникне магнітне поле, яке намагнічує стальне осердя, створюючи в ньому деяку магнітну індукцію. Визначаємо полярність електромагніта за правилом свердлика чи правилом правої руки для котушки. Приблизимо до торцю поверхні осердя плоский кусок сталі (якір) так, щоб плоский торець осердя й площина якоря розмістилися паралельно один одного. Лінії магнітної індукції з північного полюсу торця осердя будуть проникати у тіло якоря, пройдя його, вони повернуться до південного полюсу та через нього замкнуться на себе. Під впливом магнітного поля електромагніту якір намагнітиться так, що на його площині, яка звернена до північного полюсу електромагніту, виникає південний магнітний полюс. Різнойменні магнітні полюса осердя й якорю притягуються один до одного:

Сила, з якою електромагніт притягує якір, називається його підйомною силою - .

де - магнітна індукція між площинами осердя електромагніта й якоря, Тл

- площа перерізу магнітопроводу, м²

- магнітна стала,

Для підковоподібного електромагніту ця сила більше у два рази ніж у стержньового.

З цієї формули видно, що тягове зусилля електромагніту зростає пропорційно квадрату магнітної індукції. Але збільшення індукції веде до переходу на насичену ділянку кривої намагнічування, тобто до значного збільшення необхідної магніторушійної сили і, внаслідок цього - до суттєвого збільшення габаритів котушки.

Осердя й якір електромагніту виготовляють з магніто - м’якої сталі, тому при розмиканні кола вони розмагнічуються й сила стає рівною нулю.

Використовуються електромагніти в електричних дзвінках, реле, електромагнітних кранах, електровимірювальних приладах, електромашинах та апаратах, медицині, автоматичних пристроях,…

В електромагнітних пристроях з рухомими частинами магнітне поле завжди намагається викликати таке переміщення, в результаті якого магнітний опір стає мінімальним. Розглянемо котушку, яка втягує осердя з магніто – м’якої сталі всередину. Осердя втягується до середини котушки, тобто до області поля, де магнітна індукція максимальна, незалежно від напрямку магнітних ліній поля. Коли осердя розташоване всередині котушки, магнітний опір шляхів замикання магнітних ліній стає мінімальним.

Ефект втягування металевих осердь до котушки або притягування рухомої частини магнітопроводу до нерухомої широко використовується у вимірювальних приладах електромагнітної системи, комутуючих апаратах (таких як контактори, реле, магнітні пускачи).

Магнітні кола