МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ феромагнітних МАТЕРІАЛІВ. Намагнічених.
Феромагнітні матеріали в електротехніці мають найважливіше значення.
Якщо в магнітне поле внести ферроманетік. то магнітна індукція в ньому значно зростає, а сам матеріал намагнічується. Сутність процесу, що відбувається полягає в наступному. Феромагнітна поле складається з дрібних мимовільно намагнічених областей, обсяг яких становить близько 10 -8 см 3 (рис.36).
Ці намагнічені області можна представити у вигляді елементарних двополюсних диполів, які створюють свої магнітні поля, пов'язані між собою силами зчеплення. Магнітні сили цих областей обумовлюються елементарними електричними струмами, що утворюються, головним чином, в результаті обертання електронів навколо власних осей. При відсутності зовнішнього магнітного поля в феромагнітному тілі магнітні сили компенсують один одного, тобто сумарне магнітне поле тіла дорівнює нулю. Під дією зовнішнього поля, ці елементарні магніти орієнтуються по полю (повертаються), тим самим на одному боці тіла створюється один полюс, а на іншій - інший полюс. Таким чином, саме тіло стає поляризованим і створює своє власне магнітне поле.
Зі збільшенням зовнішнього поля кількість орієнтованих елементарних магнітів стає більше, що призводить до зростання внутрішнього поля. На наступне малюнку зображена крива зміни намагніченості тіла J в залежності від зміни напруженості зовнішнього поля Н.
На мал.37 показана схема установки для намагнічування феромагнітного сердечника. Зі збільшенням струму в котушці пропорційно збільшується напруженість магнітного поля ?? I.
Якщо для конкретних значень величини Н виміряти або підрахувати відповідні їм значення магнітної індукції В, то можна побудувати графік початкового намагнічування феромагнетика, тобто B = f (H), яка показана на ріс.37б ділянкою кривої 0-1.
На ділянці 0-1 зі збільшенням напруженості Н, збільшується магнітна індукція В. Це пояснюється тим, що магнітні моменти доменів, раніше орієнтовані довільно, приймають напрямок зовнішнього магнітного поля. Потім приріст магнітної індукції за рахунок внутрішнього магнітного поля зменшується, а далі повністю припиняється, тобто настає стан магнітного насичення (після точки 1). Bs-магнітна індукція насичення.
Намагніченість J тіла - величина, що характеризує магнітне поле феромагнітного тіла за рахунок його поляризації. Намагніченість має ту ж розмірність, що і напруженість магнітного поля, тобто А / м. Намагніченість тіла не може зростати нескінченно. Якщо напрямок поля мимовільного намагнічування в усіх точках збігається з напрямком зовнішнього поля. то намагніченість тіла досягає свого граничного значення ??. званого намагниченностью насичення (мал.38).
Нелінійний характер кривої намагнічування показує, що магнітна проникність феромагнітних матеріалів непостійна і залежить від напруженості магнітного поля.
При заданій напруженості Н зовнішнього магнітного поля в неферомагнітними середовищі магнітна індукція
У феромагнітної середовищі до цієї індукції зовнішнього поля (В0) додається індукція додаткового магнітного поля J. З урахуванням цього результуюча магнітна індукція
З іншого боку, ця магнітна індукція пов'язана з напруженістю магнітного поля співвідношенням
Звідки випливає, що
На рис.39 вироблено підсумовування кривих магнітної індукції зовнішнього поля (μ0 Н) і магнітної індукції внутрішнього поля тіла (μ0 J). Складаючи ординати функцій μ0 Н і μ0 J отримуємо нову функцію, яку називають кривою намагнічування.
Крива намагнічування може бути розбита на три характерних ділянки:
Ділянка Оа, на якому магнітна індукція зростає майже пропорційно напруженості поля;
Ділянка аб, на якому зростання магнітної індукції сповільнюється;
Ділянка за точкою б. де спостерігається слабке наростання індукції.
Кожен феромагнітний матеріал має свою криву намагнічування.
Нелінійний характер кривої намагнічування показує, що магнітна проникність феромагнітних матеріалів непостійна і залежить від напруженості магнітного поля.
Подібний же характер залежності від Н має магнітна проникність, початковим значенням якої при Н = 0 є μ0 і яка в кінцевій стадії свого зміни асимптотично прагне до того ж μ0. Приблизний графік залежності μ від Н представлений на рис. б.
7. циклічні перемагнічуванням. Гістерезис.
Якщо взяти феромагнітна тіло в розмагніченого стані і почати його намагнічування, тобто збільшувати струм в котушці (рис.41 а), до моменту, коли індукція досягне максимального значення, то можна отримати криву В (Н), звану кривої початкового намагнічування (рис. 41 б).
Якщо зменшувати струм в котушці, тобто зменшувати напруженість зовнішнього поля, то крива буде розташовуватися трохи вище кривої намагнічування. Таким чином, крива розмагнічування не збігається з кривою намагнічування. Розмагнічування сердечника як би запізнюється в порівнянні зі зменшенням напруженості поля. Це явище отримало назву гистерезиса (відставання). З рис. 41 б видно, що при розмагнічування, коли напруженість поля Н = 0, магнітна індукція тіла зберігає деяку величину В0. звану залишкової магнітної індукції.
Для того, щоб довести магнітну індукцію тіла до нуля (зняти залишкову індукцію або розмагнітити сердечник), необхідно змінити напрямок зовнішнього поля (напрямок струму в котушці).
Величину напруженості магнітного поля (Нс), необхідну для зняття залишкової індукції, називають коерцитивної силою. Якщо збільшувати напруженість поля на величину, більшу, ніж Нс. то магнітна індукція почне зростати, але з іншого полярністю, тобто буде знову відбуватися процес намагнічування. При певній напруженості поля магнітна індукція досягає максимального значення (-Вmax), при якому відбувається магнітне насичення тіла. Таким чином, змінюючи струм в котушці за величиною і напрямком, можна отримати дані для побудови замкнутої кривої B = f (H), яку називають петлею магнітного гистерезиса. На наступному малюнку представлена крива, що характеризує повний процес циклічного перемагнічування (рис. В).
Криву циклічного перемагнічування називають петлею гистерезиса. При циклічному перемагничивании з певною частотою феромагнітні матеріали нагріваються, що свідчить про витрату деякої енергії на перемагнічування.
Величина цих втрат енергії тим більше, чим більше площа, обмежена петлею гистерезиса.
8. феромагнітних МАТЕРІАЛИ
Ферромагнетики підрозділяються на магнитомягкие і магнитожорсткі.
Для магнитомягких матеріалів характерно швидке намагнічування і мала Нс.
Сила, що діє на провідник
При інших значеннях кута α силу визначають за формулою
где ?? - проекція відрізка ?? на напрям, перпендикулярний напрямку вектора В.
Напрямок електромагнітної сили завжди перпендикулярно площині, в якій лежать провід та лінії магнітної індукції і його зручно визначати за правилом лівої руки.
Якщо провідник зі струмом під дією сил поля перемістився на відстань х (ріс.46 б), то робота чинена полем ?? Так як ??. B S = Ф, α = 90 0. то
Таким чином, робота, що здійснюються при переміщенні провідника з незмінних струмом в однорідному магнітному полі, дорівнює добутку струму на пересічений провідником магнітний потік.
У неоднорідному магнітному полі робота
б) Тягове зусилля електромагніта
Конструкції тягових електромагнітів різноманітні і визначаються їх призначенням. Але всі вони мають намагнічує обмотку, сталевий магнітопровід, що складається з двох частин - нерухомий і рухомий 2. Рухома частина муздрамтеатру (якір) намагничивается
в магнітному полі обмотки зі струмом і притягується до нерухомої частини з силою (ріс.47)
де В- магнітна індукція, S - площа перетину полюса.
Таким чином, котушка з сердечником, по якій протікає струм, завжди притягує до себе якір. Такий пристрій називається електромагнітом.
Електромагніти застосовують у вимірювальних приладах, реле, магнітних пускателях, автоматах і ін. Пристроях. Їх широко використовують для підйому вантажів. Вантажопідйомність таких електромагнітів може доходити до декількох тонн.
Магнітний потік при цьому досягає найбільшого значення для даної електромагнітної системи, так як повітряний зазор між сердечником і якорем скорочується. а магнітне опір стає меншим.
в) Заряджена частинка в магнітному полі
Дія магнітного поля на заряджені частки, що рухаються поза провідника, наприклад у вакуумі, широко використовується в техніці. Прикладами можуть служити фокусування і зміщення електронного пучка в електронно-променевих трубках телевізорів, осцилографів, електронних мікроскопів, в прискорювачах і т.д.
Для визначення сили, що діє на частинку із зарядом q, що рухається в однорідному магнітному полі перпендикулярно напрямку магнітної індукції В, можна
використовувати формулу ?? = ??. Підставами в неї ?? і ??. тоді отримаємо
В даному випадку ?? згідно правила лівої руки направлена перпендикулярно напрямками магнітної індукції і швидкості частки. З механіки відомо, що під дією постійної за значенням сили, спрямованої перпендикулярно напрямку швидкості, тіло (частка) рухається по колу радіуса ?? = ?? в площині, перпендикулярній напряму ліній магнітної індукції. Кутова швидкість руху (обертання) дорівнює ?? .
Електромагнітну силу, діючу на провідник зі струмом ?? ,
можна уявити як суму ?? сил, які діють на окремі електрони, напрямок руху яких утворюють в провіднику струм
де ne = q-кількість електрики в одиниці об'єму провідника (n = N / V ??),
?? обсяг провідника, в якому укладено заряд q,
S = перетин циліндричного провідника, а ?? його довжина,
Сила, що діє на окремий електрон ??. тобто сила діє на електрон пропорційна магнітної індукції і швидкості руху частинки.
Напрямок цієї сили визначається за правилом лівої руки. Причому чотири витягнутих пальці, повинні бути спрямовані в бік, протилежний напрямку руху електрона.
10. ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ІНДУКЦІЯ
Закон електромагнітної індукції або закон Фарадея для електротехніки є одним з основних. Це явище полягає в тому, що в електропровідному контурі порушується ЕРС індукції, якщо магнітний потік. зчеплений з цим контуром. змінюється.
На основі цього явища створюються і працюють електричні генератори і двигуни, трансформатори, радіопередавачі і радіоприймачі (телевізійні приймачі) і багато інших. Цей закон необхідний при вивченні електричних ланцюгів змінного струму. Відкрито закон М. Фарадеєм в 1831р.
У провіднику АБ, що рухається під дією механічної сили Fмх зліва направо в магнітному полі В (направленому від нас за креслення) так, що він перетинає лінії магнітної індукції, виникає ЕРС індукції. Це пов'язано з тим, що вільні електрони провідника АБ
рухаються разом з ним зі швидкістю V. V - відносна швидкість провідника і магнітного поля (рис.48).
На кожен електрон діє сила Лоренца
яка спрямована вздовж провідника від низу до верху (згідно правила лівої руки). Під дією цієї сили електрони переміщаються до верхнього кінця провідника, де створюється надлишковий негативний заряд, а на іншому кінці провідника утворюється такий же за величиною позитивний заряд. Поділ зарядів в провіднику призводить до виникнення електричного поля, тобто між зарядженими частинами провідника виникають сили Кулона (??), спрямовані вже зверху вниз, тобто проти сили Лоренца.
Поділ зарядів в провіднику закінчується за однакової кількості електромагнітної і електричної сили, тобто при F л = Fк. Рівність сил означає наявність між кінцями провідника АБ усталеною різниці потенціалів VА -VБ.
Припустимо, що шини, за якими котиться провідник АБ, металеві та з'єднані між собою резистором R. Тоді утворюється замкнутий контур (ланцюг), в якому (ій) під дією різниці потенціалів ?? з'явиться електричний струм I.
Звідки випливає, що ЕРС індукції дорівнює
При куті α ≠ 90 0 в цю формулу замість повній швидкості вводиться проекція її на напрямок, перпендикулярний напрямку магнітної індукції ??. і тоді виходить більш загальна формула
Якщо α = 0, тобто при своєму русі провідник не перетинає силові лінії магнітного поля. а як би ковзає уздовж силової лінії, то ЕРС індукції дорівнює нулю.
Якщо замкнути провідник, який рухається в магнітному полі, на резистор R, то индуктированная ЕРС створить в контурі струм I. Цей струм, взаємодіючи з магнітним полем, викликає поява гальмує сили F м, протидіє причини, що викликає ЕРС, - в цьому і є прояв правила або принципу Ленца. І у формулі для ЕРС слід ставити знак мінус
Провідник довжиною ℓ, що переміщається перпендикулярно силовим лініям (α = 90 0) зі швидкістю v, проходить за елементарний відрізок часу dt шлях d х. тоді
Якщо в магнітному полі знаходиться котушка з числом витків N, то активна довжина проводу ?? де ℓср - середня довжина одного витка.
Индуцируемая ЕРС в котушці
З рис. видно що ?? У свою чергу, B dS = dФ. тоді
Останній вираз показує, що індукована ЕРС пропорційна швидкості зміни потоку dФ / dt.
Ця зміна потоку може відбуватися як у бік збільшення (dФ> 0, магніт вводиться в котушку), так і в бік зменшення потоку (dФ 0) ЕРС самоіндукції перешкоджає зростанню струму. таку ЕРС називають протівоед с. При зменшенні струму в контурі (di / dt