Лекция 8. Магнитные цепи постоянного тока
8.1 Магнитные цепи. Основные понятия и величины, характеризующие магнитное поле
Все вещества по их магнитным свойствам подразделяются на диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные. У диамагнитных веществ относительная
магнитная проницаемость m < 1, например для воды m = 0,999991, для меди
m = 0,999990 ; у парамагнитных веществ m > 1, например для алюминия
m = 1,000023 ,
для вольфрама m = 1,000176 ; у ферромагнитных веществ
m >> 1, например для железа
мягкого
m = 8000 , для чугуна
m = 2000 , для пермаллоя
m = 80000 .
При решении большинства электротехнических задач достаточно подразделять
все вещества на две группы: ферромагнитные (сильномагнитные), для которых m >> 1,
и неферромагнитные (слабомагнитные), для которых m » 1.
Совокупность ферромагнитных и неферромагнитных частей электротехнических устройств, предназначенных для создания магнитных полей нужной конфигурации и
интенсивности, называется магнитной цепью. Для усиления магнитного поля и практически полной локализации его внутри магнитной цепи используют ферромагнитные материалы (ферромагнетики). Фрагмент магнитной цепи, образованный из ферромагнетиков, называется сердечником или магнитопроводом.
В зависимости от принципа действия электротехнического устройства магнитное поле может возбуждаться либо постоянным магнитом, либо катушкой с током (обмоткой), расположенной в той или иной части магнитной цепи. Если ток в такой катушке является постоянным, то возбуждаемое им магнитное поле также будет постоянным, а рассматриваемая при этом магнитная цепь — магнитной цепью постоянного тока.
|
|
|
Как известно, явления, связанные с магнитным полем, могут быть описаны с помощью ряда таких физических величин как магнитная индукция, магнитный поток, намагниченность, напряженность магнитного поля, магнитная проницаемость и др.
Магнитная индукция B является основной (силовой) характеристикой магнитного поля. Вектор магнитной индукции B определяется по силе F , воздействующий на заряд q , перемещающийся в магнитном поле со скоростью v :
F = q [vrB ]. (8.1)
Единица измерения магнитной индукции: [ B ] = 1Тл (тесла).
Магнитный поток F есть поток вектора магнитной индукции через площадь S :
F =ò r r , (8.2)
BdS
r S
где dS — элемент поверхности S . Единица измерения магнитного потока:
|
|
|
[F ] = 1Вб (вебер).
При однородном магнитном поле ( B = const ) и перпендикулярном направлении линий поля к площадке
r F = BS
(8.3)
Намагниченность M есть магнитный момент единицы объема вещества:
|
V ®0
r
åmr
V
, (8.4)
где V — объем вещества, m
током. По определению
Здесь i — ток в контуре,
— вектор магнитного момента элементарного контура с
mr = i S . (8.5)
r
S — векторное представление площади, ограниченной
контуром. Единица измерения намагниченности: [ M ] = 1А/м (ампер на метр).
Вектор
R 1 r r
|
0
(8.6)
называется напряженностью магнитного поля, величина m0
в формуле (8.6) —
|
магнитного поля: [ H ] = 1А/м (ампер на метр). r r
Из формулы (8.6) следует, что векторы магнитного поля B , M
равенством
и H связаны
|
Соотношение между намагниченностью M и напряженностью магнитного поля
|
|
|
H имеет следующий вид:
M = c H , (8.8)
где безразмерная величина , называемая магнитной восприимчивостью, для
ферромагнитных веществ является функцией H .
Из формул (8.7)rи (8.8)(пrолуча)ем равенство r
B = m0 H + M = m0 (1 + c )H = m0m H = m a H , (8.9)
где величина
m = 1+ c называется относительной магнитной проницаемостью, а
величина
m a = m0m
— абсолютной магнитной проницаемостью.
8.2 Характеристики ферромагнитных материалов в стационарных магнитных полях. Понятие о магнитомягких и магнитотвердых материалах
Свойства ферромагнитных материалов, находящихся под воздействием постоянного (стационарного) магнитного поля, принято характеризовать зависимостью магнитной индукции B от напряженности магнитного поля H , т.е. зависимость
B = B(H ). Различают два основных типа этих зависимостей: кривые намагничивания,
представляющие собой однозначную зависимость B(H ) (рисунок 8.1, а), и
гистерезисные петли — неоднозначные зависимости B(H ) (рисунок 8.1, б).
|
|
|
 |  |
а) б)
Рисунок 8.1 – Первоначальная кривая намагничивания (а) и гистерезисные петли (б)
Кривые намагничивания подразделяют на первоначальную кривую намагничивания (рисунок 8.1, а) и основную кривую намагничивания (рисунок 8.1, б).
Начальная кривая намагничивания представляет зависимость B = B(H )
предварительно размагниченного ферромагнетика ( B = 0 , H = 0 ) при плавном
изменении магнитной напряженности H . Эта кривая является однозначной
зависимостью B(H ) и обычно близка к основной кривой намагничивания. Начальную
кривую намагничивания, имеющую нелинейный характер, можно разбить на следующие участки: «0a » — начальная область намагничивания, « ab » — область интенсивного намагничивания, « bc » — участок перегиба кривой, называемый коленом кривой, и « cd » — участок насыщения ферромагнетика.
Намагничивание ферромагнитных материалов сопровождается явлением гистерезиса, т.е. отставанием изменения магнитной индукции B от напряженности магнитного поля H .
Если сначала намагнитить материал, т.е. увеличить напряженность магнитного
поля до некоторого значения
H = H m , а затем уменьшить ее значение до нуля ( H
= 0 )
и далее, изменив направление H , снова увеличить напряженность до величины
H = -H m с последующим уменьшением ее до нуля ( H = 0 ), то в результате такого
циклического медленного перемагничивания получится зависимость B(H ) в виде
замкнутого цикла, называемая петлей гистерезиса (рисунок 8.1, б). При разных
максимальных значениях напряженности внешнего магнитного поля
H = H m
получится
семейство петель гистерезиса. Если при намагничивании материал был доведен до насыщения, то соответствующая петля гистерезиса называется предельной петлей или предельным циклом. Она характеризуется тем, что при дальнейшем увеличении напряженности внешнего поля магнитное поле ферромагнетика не изменяется.
Две точки предельной петли — остаточная индукция B r H c — являются паспортными характеристиками материала.
и коэрцитивная сила
Остаточная индукция B r
определяет значение индукции магнитного поля при
равной нулю напряженности этого поля; коэрцитивная сила
H c — напряженность
магнитного поля, необходимую для доведения магнитной индукции в предварительно намагниченном ферромагнетике до нуля.
Кривая, проходящая через вершины всех петель гистерезиса (рисунок 8.1, б), называется основной кривой намагничивания; она практически совпадает с первоначальной кривой намагничивания.
Перемагничивание ферромагнитного материала связано с расходом энергии на этот процесс. Можно доказать, что площадь петли гистерезиса, равная ò HdB , пропорциональная энергии, выделяющейся в единице объема ферромагнитного вещества за один цикл перемагничивания. В зависимости от величины этой энергии и соответственно формы петли гистерезиса ферромагнитные материалы подразделяются на магнитомягкие и магнитотвердые. Первые характеризуются относительно узкой петлей гистерезиса и круто поднимающейся основной кривой намагничивания (рисунок 8.2, а), вторые обладают большой площадью гистерезисной петли и полого поднимающейся основной кривой намагничивания (рисунок 8.2, б).
 |  |
а) б)
Рисунок 8.2 – Гистерезисные петли магнитомягких (а) и магнитотвердых (б) ферромагнетиков
Магнитомягкие материалы (электротехнические стали, железоникелевые сплавы и др.) обладают свойством легко перемагничиваться и применяются в устройствах, предназначенных для работы при переменных магнитных полях (трансформаторы, двигатели и др.).
Магнитотвердые материалы (углеродистые стали, вольфрамовые сплавы и др.) обладают свойством задерживать остаточную намагниченность и используются при изготовлении постоянных магнитов.
цепи
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 239; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!