Дослідження вебер-амперних характеристик магнітних кіл постійного струму (стр. 1 из 3)

Робота 4. Дослідження магнітного кола постійних струмів

4.1 Мета роботи

Вивчити методи та прилади вимірювання магнітної індукції і магнітного потоку та дослідити вебер-амперні характеристики магнітних кіл постійного струму.

4.2 Короткі теоретичні відомості

Частину електротехнічного пристрою, призначеного для створення в його робочому об’ємі магнітного поля заданої інтенсивності і конфігурації, називають магнітним колом. Магнітне коло складається з елементів, які збуджують магнітне поле (котушки, в яких протікає струм, постійні магніти) і магнітопроводів, по яким замикається магнітний потік. Елементи, які збуджують магнітне поле за аналогією з електричним колом, називають магнітно-рушійними силами (м.р.с.) або намагнічуючими силами.

Магнітопроводи виконують роль “провідників” магнітного потоку подібно провідникам електричного струму в електричних колах.

Магнітні властивості речовин визначаються величиною магнітної проникності

. Вона є фізичною константою. В залежності від величини магнітної проникності всі речовини поділяють на діамагнетики (мідь, свинець, ртуть, алюміній та інші, [1-1 (10^-6...10^-5)]); парамагнетики (кисень, вуглець, деякі солі кобальту та інші, ) і феромагнетики (залізо з домішками, нікель та інші, , де Гн/м - магнітна проникливість вакууму).

Феромагнетики використовують для виготовлення магнітопроводів магнітних кіл. Чим вища магнітна проникність, тим кращим є магнітний матеріал, бо при тій же м.р.с. буде більшим магнітний потік.

Силовою характеристикою магнітного поля, яке є однією із форм електромагнітного поля, є магнітна індукція В - середнє значення макроскопічного магнітного поля, яке утворюється в даній точці простору як струмами провідності, так і наявними мікрострумами в тілі намагніченого магнітопроводу.

Магнітне поле, яке створене струмами провідності (рухом вільних носіїв електричних зарядів) і яке не залежить від магнітних властивостей середовища, характеризується вектором напруженості магнітного поля

. Залежність між індукцією і напруженістю магнітного поля визначає магнітна проникність речовини:

. /5.1/

Одиницею виміру магнітної індукції є тесла (Тл), а напруженості - ампер на метр, (А/м).

Величина напруженості магнітного поля залежить від величини струмів, які збуджують це магнітне поле в магнітному колі. Тому при одній і тій же напруженості Н величина магнітної індукції В буде різною в магнітних колах з різних матеріалів. Щоби мати великі значення індукції, магнітопроводи виготовляють з феромагнетиків з великими значеннями магнітної проникності (електротехнічна сталь, пермалой, ферити тощо).

Особливістю феромагнетиків є нелінійна залежність між магнітною

Рис.5.1.

індукцією і напруженістю магнітного поля, тобто магнітна проникність

не є сталою величиною, а залежить від напруженості магнітного поля. Цю залежність називають кривою намагнічування. Її знімають експериментально для кожного феромагнетика, і в довідниках вона представлена у вигляді графіка В = f(H) або відповідних таблиць.

На рис.5.1 наведені залежності B = f(H) для електротехнічної сталі

і вакууму, для якого . З наведених графіків знаходимо, що при напруженості магнітного поля 200 А/м індукція в сталі , а у вакуумі , що в 4000 разів менше. Отже , магнітопровід із електротехнічної сталі посилює магнітну індукцію в 4000 разів у порівнянні з вакуумом. При розрахунках магнітну проникність повітря приймають рівною .

Магнітне коло більшості електротехнічних пристроїв (електромашин, реле, контакторів та інше) складається з магнітопроводів і повітряних проміжків. Наприклад, магнітопроводи і повітряні проміжки між статором і ротором електричних машин.

а) б)

Рис.5.2.

На рис.5.2 зображено просте послідовне магнітне коло з повітряним проміжком l₀. Магнітне поле в сталевому осерді 1 збуджується котушкою зі струмом 2, магніторушійна сила якої

F = IW, /5.2/

де І - струм в провідниках котушки, А; W - кількість витків у котушці.

Магніторушійна сила F збуджує в сталевому осерді довжиною l_F та в повітряному проміжку довжиною l₀ відповідно магнітні індукції B_F і

. Якщо магнітну індукцію в поперечному перерізі магнітопровода вважати постійною величиною, то магнітний потік в осерді

, /5.3/

де S_F - площа поперечного перерізу магнітопровода, м².

При невеликих значеннях повітряних проміжків (l₀ < 0,001 м) можна нехтувати замиканням (“розпертям”) магнітного потоку з боків магнітопровода (рис.5.2, б) і вважати, що

, /5.4/

де S_l - поперечний переріз повітряного проміжку.

Так як

і , то В_l = В_F, тобто магнітна індукція в сталевому осерді і в повітряному проміжку l₀ вважаються рівними: В_F = В_l = В.

Напруженість магнітного поля в магнітопроводі

, а у повітряному проміжку - . Оскільки , то напруженність H_F значно менша напруженності Н_l: .

Розрахунки магнітних кіл за аналогією з розрахунками електричних кіл проводять на підставі законів Ома і Кірхгофа, прирівнявши намагнічуючу силу F до е.р.с., а магнітний потік Ф - до сили струму І. Тому закон Ома для нерозгалуженого магнітного кола матиме вигляд

, /5.5/

де Ф - магнітний потік;

- магнітний опір кола.

Магнітний опір

складається із магнітних опорів ділянок кола. Магнітний опір ділянки залежить від магнітної проникливості ділянки і від її геометричних розмірів:

, /5.6/

де l_д - довжина магнітних силових ліній в ділянці; S_д - поперечний переріз ділянки.

Для кола, наведеного на рис.5.2, магнітні опори ділянок

;

і рівняння /5.5/ можна представити у вигляді

. /5.7/

Виразу /5.7/ відповідає заступна схема, наведена на рис.5.3.

На підставі заступної схеми можна визначити величину магнітного потоку, а знаючи його, визначають магнітну індукцію, або, задавшись величиною В, визначають намагнічуючу силу котушки ІW.

Рис. 5.3. де

- потокозчеплення котушки; І і W - відповідно струм та число витків котушки

Розрахунок або експериментальне дослідження магнітного кола дозволяє визначити такий дуже важливий параметр електромагнітних пристроїв як індуктивність котушки

, [Гн] /5.8/

Дослідження магнітних кіл зв’язане з вимірюванням магнітного потоку і магнітної індукції. Вимірювання магнітного потоку ґрунтується на використанні явища електромагнітної індукції.

Рис.5.4.

На рис.5.4. зображена електрична схема вимірюваннямагнітного потоку індукційно-імпульсним методом. Вона складається із котушки з числом витків W_к, опору R_д і балістичного гальванометра з внутрішнім опором R_г. Якщо котушку помістити в магнітне коло, а потім швидко видалити з нього, то зміна магнітного потоку, який пронизує котушку, спричинить виникнення в ній електрорушійної сили