Магнитное поле, цепи и индукция (стр. 1 из 3)
Содержание
Введение
Основные понятия теории магнитного поля
Электромагнитная индукция
Магнитные цепи
Закон полного тока
Закон Ома для магнитной цепи. Линейные и нелинейные магнитные сопротивления
Ферромагнитные материалы и их свойства
Расчет неразветвленной магнитной цепи
Электромагнитная индукция. ЭДС индукции
Заключение
Список источников материала
Введение
История магнетизма уходит корнями в глубокую древность, к античным цивилизациям Малой Азии. Именно на территории Малой Азии, в Магнезии, находили горную породу, образцы которой притягивались друг к другу. По названию местности такие образцы и стали называть "магнетиками". Любой магнит в форме стержня или подковы имеет два торца, которые называются полюсами; именно в этом месте сильнее всего и проявляются его магнитные свойства. Если подвесить магнит на нитке, один полюс всегда будет указывать на север. На этом принципе основан компас. Обращенный на север полюс свободно висящего магнита называется северным полюсом магнита (N). Противоположный полюс называется южным полюсом (S).
Магнитные полюсы взаимодействуют друг с другом: одноименные полюсы отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Аналогично концепции электрического поля, окружающего электрический заряд, вводят представление о магнитном поле вокруг магнита.
В 1820 г. Эрстед (1777-1851) обнаружил, что магнитная стрелка, расположенная рядом с электрическим проводником, отклоняется, когда по проводнику течет ток, т. е. вокруг проводника с током создается магнитное поле. Если взять рамку с током, то внешнее магнитное поле взаимодействует с магнитным полем рамки и оказывает на нее ориентирующее действие, т. е. существует такое положение рамки, при котором внешнее магнитное поле оказывает на нее максимальное вращающее действие, и существует положение, когда вращающий момент сил равен нулю.
Основные понятия теории магнитного поля
Магнитное поле — составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Кроме того, магнитное поле может создаваться током заряженных частиц, либо магнитными моментами электронов в атомах (постоянные магниты). С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозон-фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля). Основной характеристикой магнитного поля является его сила, определяемая вектором магнитной индукции (вектор индукции магнитного поля). В СИ магнитная индукция измеряется в теслах (Тл), в системе СГС в гауссах.
Магнитное поле — это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом.
Магнитное поле и его параметры
Направление магнитных линий и направление создающего их тока связаны между собой известным правилом правоходового винта (буравчика), а так же правилом левой руки. (рис. 1).
Рис. 1. Магнитное поле. Правило Буравчика и правило левой руки.
Основной величиной, характеризующей интенсивность и направление магнитного поля является – вектор магнитной индукции
, которая измеряется в Теслах [Тл].Вектор
направлен по касательной к магнитной линии, направление вектора совпадает с осью магнитной стрелки, помещенной в рассматриваемую точку магнитного поля.Величина
определяется по механической силе, действующей на элемент проводника с током, помещенный в магнитное поле.Если
во всех точках поля имеет одинаковую величину и направление, то такое поле называется равномерным. зависит не только от величины I, но и от магнитных свойств окружающей среды.Второй важной величиной, характеризующей магнитное поле является – магнитный поток
, который измеряется в Веберах [Вб].Элементарным магнитным потоком Ф сквозь бесконечно малую площадку называется величина (рис. 2)
Рис.2. Определение магнитного потока, пронизывающего: а) произвольную поверхность; б) плоскую поверхность в равномерном магнитном поле
dФ = B cos a dS,
где a – угол между направлением и нормалью к площадке dS.
Сквозь поверхность S [м2]
Ф = s∫ dФ = s∫ B cos α dS,
Если магнитное поле равномерное, а поверхность S представляет собой плоскость
Ф = B S.
При исследовании магнитных полей и расчете магнитных устройств пользуются расчетной величиной
– напряженность магнитного поля [А/м]где mа – абсолютная магнитная проницаемость среды.
Для неферромагнитных материалов и сред (дерево, бумага, медь, алюминий, воздух) mа не отличается от магнитной проницаемости вакуума и равна
mo = 4p ·
, Гн/м (Генри/метр).У ферромагнетиков mа переменная и зависит от В.
Магнитные цепи
Всякий электромагнит состоит из стального сердечника – магнитопровода и намотанной на него катушки с витками изолированной проволоки, по которой проходит электрический ток.
Совокупность нескольких участков: ферромагнитных (сталь) и неферромагнитных (воздух), по которым замыкаются линии магнитного потока, составляют магнитную цепь.
Закон полного тока
В основе расчета магнитных цепей лежит закон полного тока (рис. 3.)
где: Н – напряженность магнитного поля в данной точке пространства;
dL – элемент длины замкнутого контура L;
a – угол между направлениями векторов и ;
S I – алгебраическая сумма токов, пронизывающих контур L.
Рис. 3. Закон полного тока.
Ток Iк, пронизывающий контур L считается положительным, если принятое направление обхода контура и направление этого тока связаны правилом правоходового винта (буравчика).
Применение закона полного тока для расчета магнитных цепей
Рассмотрим простейшую магнитную цепь, выполненную в виде кольца тороида из однородного материала (рис. 4).
Рис. 4. Кольцевая магнитная цепь
Обмотка имеет W витков и обтекается током I. Магнитные линии внутри кольца представляют собой концентрические окружности с центров точке О. Применим к контуру Cх, совпадающему с одной из магнитных линий, проходящих в магнитопроводе, закон полного тока. При этом будем считать:
и совпадают, следовательно a = 0;
величина Нх во всех точках контура одинакова;
сумма токов, пронизывающих контур, равна IW.
Тогда
Отсюда
где Lx – длина контура, вдоль которого велось интегрирование;
rx – радиус окружности.
Вектор
внутри кольца зависит от расстояния rх. Если a – ширина кольца << d, то эта разница между значениями Н в пределах сердечника не велика. При этом в расчет допустимо принять для всего поперечного сечения магнитопровода одно значение напряженности магнитного поля:Hср = IW / L ,
где L – длина средней магнитной линии.
Закон Ома для магнитной цепи. Линейные и нелинейные магнитные сопротивления
В кольцевом магнитопроводе с равномерной обмоткой все поле концентрируется внутри кольца.
Определим в этом случае магнитный поток в магнитопроводе с распределенной обмоткой.
Исходя из соотношений Ф = Bср S и Bср = mа Hср получим
Ф = Bср S = mа Hср S .
Магнитный поток Ф зависит от произведения IW = F, которое получило название магнитодвижущей силы (МДС).
Величину L /(mа S) = Rм – принято назвать магнитным сопротивлением магнитопровода (по аналогии с электрическим сопротивлением r = L / γ S).
Магнитное сопротивление воздуха (зазоров) линейное, т.к. mа = mo = const. Магнитное сопротивление сердечника нелинейно – mа зависит от В.
Если намагничивающую силу F, уподобить действию ЭДС, будет получено соотношение, похожее на выражение закона Ома для цепи постоянного тока. В связи с этим формулу
принято назвать законом Ома для магнитной цепи. Следует оговориться, что эта аналогия – формальная, а физическая сущность процессов в электрических и магнитных цепях различна.
Ферромагнитные материалы и их свойства
Известно, что магнитная проницаемость mа ферромагнитных материалов переменная величина и зависит от В. Это влечет за собой непостоянство магнитного сопротивления Rм и значительно усложняет расчеты магнитных цепей. Поэтому для расчета магнитных цепей, содержащих ферромагнитные участки, необходимо располагать кривыми намагничивания, представляющими собой зависимость B = f(H). Эти зависимости получают экспериментальным путем – испытанием замкнутых магнитопроводов с распределенной обмоткой.