При русі будь-яких заряджених частинок виникає магнітне поле. Магнітне поле діє на рухомі електричні заряди, зокрема на провідник зі струмом. Взаємодія магнітного поля з рухомими зарядами або з провідниками, по яких протікає струм, здійснюється за допомогою сил, які називаються електромагнітними.
Інтенсивність магнітного поля в точці простору характеризується магнітною індукцією, яку позначають символом В.
Магнітна індукція являє собою силову характеристику магнітного поля у відповідній точці. За одиницю магнітної індукції в СІ прийнята магнітна індукція поля, в якому на рамку площею 1 м2 при протіканні по ній струму 1 А діє з боку поля момент сил Ммакс = l Н • м.
Одиниця виміру магнітної індукції - тесла (скорочено Тл).
Магнітна індукція - величина векторна, т. Е. Характеризується чисельним значенням і спрямованістю.
Магнітне поле графічно зображують за допомогою ліній магнітної індукції. Лінією магнітної індукції (магнітної лінією) називається така лінія, дотична до якої в будь-якій точці збігаються з напрямом вектора магнітної індукції.
Магнітні лінії використовують для вказівки напряму магнітного поля і для характеристики його інтенсивності. Чим більше інтенсивність магнітного поля - індукція, тим частіше проводять ці лінії.
Магнітні лінії прямолінійного провідника зі струмом мають вигляд концентричних кіл, центри яких розташовані на осі провідника. Напрямок магнітних ліній навколо провідника зі струмом визначають по мнемонічному правилом свердлика, яке полягає в наступному (рис.4).
Якщо буравчик розташувати так, щоб він угвинчувався в провідник у напрямку струму, то напрямок обертання його рукоятки буде відповідати напрямку магнітних ліній.
Напрямок магнітного поля котушки зі струмом (соленоїда) визначають також за правилом свердлика (рис.5).
При цьому потрібно обертати рукоятку гвинта в напрямку струму в витках котушки. Поступальний рух свердлика вкаже напрямок ліній магнітної індукції.
Магнітну індукцію В (Тл) в точках, розташованих на відстані r (м) від осі нескінченного довгого прямолінійного провідника зі струмом I (А), розраховують за формулою
де - абсолютна магнітна проникність (характеристика магнітних властивостей середовища).
Магнітну індукцію на осьової лінії в центрі циліндричної котушки з струмом, довжина якої набагато більше її діаметра, розраховують за формулою
де ω - число витків котушки.
Твір сили струму на число витків котушки (Iω) називають магніторушійної силою, яка вимірюється в ампер-витках (А-в).
Твір магнітної індукції В і площі F, перпендикулярній вектору магнітної індукції, називають магнітним потоком; позначають символом Ф: Ф - BF.
Одиниця виміру магнітного потоку вебер (скорочено Вб).
Магнітне поле, в усіх точках якого вектори магнітної індукції рівні за значенням і паралельні один одному, називають однорідним.
Магнітне поле, створене одним і тим же струмом, при інших рівних умовах по-різному по інтенсивності в різних середовищах через різні магнітних властивостей цих середовищ.
Величиною, що характеризує магнітні властивості середовища, є абсолютна магнітна проникність.
Одиниця виміру абсолютної магнітної проникності - Генрі на метр (скорочено Г / м).
Абсолютну магнітну проникність вакууму прийнято називати магнітної постійної.
Величина, що показує, у скільки разів абсолютна магнітна проникність даного середовища більше або менше магнітної постійної (абсолютної магнітної проникності вакууму), називається відносної магнітної проникністю або магнітною проникністю.
Магнітна проникність - величина безрозмірна.
Речовини, у яких відносна магнітна проникність менше одиниці, називають діамагнітними. У цих речовинах магнітне поле слабше, ніж у вакуумі. Такими речовинами є водень, вода, кварц, срібло, мідь і ін.
Речовини, у яких відносна магнітна проникність трохи більше одиниці, називаються парамагнітним. В таких речовинах магнітне поле кілька сильніше, ніж у вакуумі. До таких речовин відносяться повітря, кисень, алюміній, платина та ін.
Для діамагнітних і парамагнітних речовин величина магнітної проникності не залежить від напруженості зовнішнього, що намагнічує поле, т. Е. Є постійною величиною, що характеризує дану речовину.
Особливу групу утворюють феромагнітні речовини (залізо, сталь, нікель, кобальт і деякі сплави), магнітна проникність яких досягає декількох десятків тисяч. Ці матеріали, що мають властивості намагнічуватися і різко посилювати магнітне поле, широко застосовують в електротехніці (в електромагнітах, електричних машинах, трансформаторах, приладах, реле і ін.).
Котушка з залізним сердечником називається електромагнітом.
Для характеристики магнітного поля поряд з вектором магнітної індукції В користуються величиною, званої напруженістю магнітного поля - Н.
Напруженість магнітного поля є величину, що характеризує інтенсивність так званого зовнішнього магнітного поля (без урахування магнітних властивостей середовища).
Напруженість магнітного поля - векторна величина.
Напрямок вектора напруженості магнітного поля в ізотропному середовищі, т. Е. В середовищі, що має однакові властивості в усіх напрямках, збігається з вектором магнітної індукції в даній точці поля.
Напруженість магнітного поля Н і магнітна індукція В пов'язані залежністю
Одиниця виміру напруженості магнітного поля ампер на метр (А / м).
Сильно виражені магнітні властивості феромагнітних матеріалів пояснюються наявністю в них мимоволі намагнічених дуже малих областей (доменів), які можна представити у вигляді маленьких магнітиків.
При відсутності зовнішнього магнітного поля в феромагнітному речовині в цілому не виявляються магнітні властивості, так як магнітні поля доменів мають різну орієнтацію і їх сумарна магнітне поле дорівнює нулю.
Коли феромагнітний матеріал поміщають в зовнішнє магнітне поле, наприклад в котушку зі струмом, то під дією зовнішнього поля домени повертаються в напрямку зовнішнього поля. При цьому магнітне поле котушки зі струмом різко посилюється і магнітна індукція В зростає. Якщо зовнішнє поле слабо, повертається тільки частина доменів, магнітні поля яких по своєму напрямку близькі до напрямку зовнішнього поля. У міру посилення зовнішнього поля кількість повернутих доменів зростає і при деякому значенні напруженості Н зовнішнього поля практично всі домени виявляються поверненими так, що їх магнітні поля розташовуються по напрямку поля. Такий стан називається магнітним насиченням.
Залежність магнітної індукції В феромагнітного матеріалу від напруженості Н намагнічує (зовнішнього) поля можна виразити у вигляді графіка, який називається кривою намагнічування.
Криві намагнічування деяких феромагнітних матеріалів, наведені на рис. 6,
показують, що зі збільшенням напруженості Н магнітна індукція В спочатку швидко зростає. Це пояснюється тим, що одночасно зі збільшенням намагнічує (зовнішнього) поля з'являється і посилюється власне магнітне поле феромагнітного матеріалу, яке утворюється поверненими елементарними магнітиками.
У місці вигину кривої швидкість росту магнітної індукції зменшується. За вигином, коли напруженість поля досягає деякого значення, настає насичення, і крива трохи піднімається, переходячи в пряму лінію. На цій ділянці магнітна індукція продовжує збільшуватися, але вже дуже повільно, і тільки за рахунок збільшення напруженості зовнішнього магнітного поля.
Графічно залежність У від Н не пряма лінія, отже, ставлення не постійно, т. Е. Магнітна проникність феромагнітного матеріалу не є постійною величиною, а залежить від напруженості намагнічує поле.
Якщо в обмотці котушки з феромагнітним сердечником збільшувати силу струму до повного магнітного насичення, а потім зменшувати її, то крива намагнічування не збігається з кривою розмагнічування (рис.7).
При напруженості, що дорівнює нулю, магнітна індукція не дорівнює нулю, а має деяке значення В, яке називається залишкової магнітної індукції. Явище відставання магнітної індукції В від сили, що намагнічує Н називається гістерезисом.
Щоб повністю розмагнітити феромагнітний сердечник, в котушці потрібно створити струм зворотного напрямку, який створив би напруженість, рівну відрізку Нс. Для різних феромагнітних матеріалів цей відрізок має різну довжину. Чим більше цей відрізок, тим більше потрібно енергії на розмагнічування.
Значення Нс напруженості поле зворотного напрямку, при якому відбудеться повне розмагнічування сердечника, називається коерцитивної (затримує) силою.
Якщо і далі збільшувати струм в котушці, то індукція знову зросте до значення насичення (-В), але зі зміненим напрямком магнітних силових ліній. Размагнічівая в зворотному напрямку, отримаємо залишкову індукцію (-В). Збільшуючи струм через котушку в первісному напрямку, знову прийдемо в точку а. Крива абвгджа називається циклічною кривої перемагнічування або петлею гистерезиса. Енергію, що витрачається на циклічне перемагнічування, називають втратами на гістерезис.
Явище залишкового магнетизму використовується при виготовленні постійних магнітів з матеріалів, що володіють великим залишковим магнетизмом (магнітно-тверді матеріали).
З матеріалів, здатних легко перемагнічуватися (магнітно-м'які матеріали), виготовляють сердечники електричних машин і апаратів.
На провідник зі струмом, поміщений в магнітне поле, діє електромагнітна сила F = BIl sin α, де В - магнітна індукція поля, Тл; I - струм в провіднику, А; l - активна довжина провідника, м; α - кут між напрямками струму в провіднику і вектором магнітної індукції поля.
Сила, що діє на провідник зі струмом, має напрямок, яке можна визначити по так званим правилом лівої руки: якщо розташувати долоню лівої руки так, щоб магнітні лінії входили в неї і чотири витягнутих пальці збігалися з напрямом струму в провіднику (рис.8),
то відігнутий великий палець покаже напрям сили, що діє на провідник зі струмом. Ця сила перпендикулярна вектору магнітної індукції і струму.
Рухомий в магнітному полі провідник з струмом є прообразом електричного двигуна, в якому електрична енергія перетворюється в механічну.
При русі провідника в магнітному полі в ньому індукується електрорушійна сила, значення якої (В) пропорційно магнітної індукції, активної довжині провідника і нормальної (до поля) складової швидкості його руху, т. Е. E = Blυ sin α, де В - магнітна індукція , Тл; υ- швидкість руху провідника, м / с; I - активна довжина провідника (частина провідника, що знаходиться в магнітному полі), м; α - кут між векторами швидкості і магнітної індукції поля.
Ця залежність носить назву закону електромагнітної індукції.
Для визначення напрямку индуктированной Е.Д. с. в прямолінійній провіднику застосовують правило правої руки (рис. 9):
якщо розташувати долоню правої руки так, щоб магнітні лінії входили в неї, а відставлений великий палець вказував напрям руху провідника, то витягнуті чотири пальці покажуть напрямок индуктированной е.р.с.
Рухомий в магнітному полі під дією зовнішньої механічної сили провідник представляє собою найпростіший електричний генератор, в якому відбувається перетворення механічної енергії в електричну.
Закон електромагнітної індукції формулюється і по-іншому: в замкнутому контурі індукується Е.Д. с. при кожній зміні магнітного потоку, охоплюваного цим контуром. Е. д. Е. Индуктированная в контурі, чисельно дорівнює швидкості зміни магнітного потоку, охоплюваного цим контуром:
Ця формула дає середнє значення е.р.с. за час At і показує, що е.р.с. залежить не від абсолютного значення магнітного потоку, а від швидкості його зміни. При наявності декількох витків, пронизує одним і тим же магнітним потоком, индуктироваться е. д. з. розраховують за формулою
Ця формула виражає закон Ленца: индуктированная е.р.с. має такий напрямок, при якому створений нею струм протидіє причини, що викликала виникнення е. д. з.
Якщо витки котушки пронизуються різними за значенням магнітними потоками, то индуктированная у всій котушці е. д. з. дорівнює сумі е. д. е. индуктироваться в окремих витках котушки:
Суму магнітних потоків окремих витків котушки називають потокозчеплення.
Одиниця виміру потокосцепления, як і магнітного потоку, - вебер.
Якщо електричний струм в контурі змінюється, то змінюється і створений ним магнітний потік. При цьому згідно із законом електромагнітної індукції в провіднику индуктируется Е.Д. с. Оскільки вона виникає внаслідок зміни струму в самому провіднику, то це явище названо самоіндукцією, а індукована в провіднику е. д. з. названа е. д. з. самоіндукції.
Магнітний потік і потокозчеплення залежать не тільки від сили струму в провіднику, а й від форми і розмірів цього провідника, а також від магнітної проникності навколишнього його середовища. Між потокозчеплення і струмом.
Коефіцієнт пропорційності L називають індуктивністю провідника. Він характеризує властивість провідника утворювати, потокосцепление при проходженні по ньому струму. Це один з головних параметрів електричних ланцюгів.
Для певної ланцюга індуктивність - величина постійна. Вона залежить від геометричних розмірів контуру, його конфігурації і магнітної проникності навколишнього середовища, але не залежить ні від сили струму в контурі, ні від магнітного потоку.
Індуктивність котушки тим більше, чим більше площа її перетину і чим більше вона містить витків, внаслідок того, що обидва ці умови збільшують магнітний потік через котушку при одному і тому ж струмі в ній. Дуже сильно зростає магнітний потік через котушку, якщо в неї вставити залізний сердечник. Тому котушка з залізним сердечником має набагато більшу індуктивністю, ніж така ж за розмірами котушка без осердя.
Одиниця виміру індуктивності - генрі (скорочено Г):
Генрі - це індуктивність провідника, в якому струм силою: 1 А збуджує магнітний потік 1 Вб.
Якщо взяти два або більше електрично не зв'язаних замкнутих контурів і по одному з них пропустити струм, то в інших контурах буде индуктироваться е. д. з. Це явище отримало назву взаємоіндукції.
В електричних приладах і апаратах металеві деталі іноді рухаються в магнітному полі або нерухомі металеві деталі перетинаються силовими лініями змінюється за значенням магнітного поля. У цих металевих деталях индуктируется е. д. з. самоіндукції. Під дією е. д. з. в масі металевої деталі порушуються вихрові струми (струми Фуко), які замикаються в масі, утворюючи вихрові контури струмів.
Вихрові струми породжують свої власні магнітні потоки, які за законом Ленца протидіють магнітному потоку котушки і послаблюють його. Крім того, вони викликають нагрів сердечника, що є марною тратою енергії.
Для зменшення втрат від вихрових струмів сердечники котушок індуктивності, а також магнітопроводи електричних машин і апаратів виготовляють у вигляді пакетів з листів електротехнічної сталі. Листи ізолюють один від одного спеціальними лаками.