Магнітне коло. Напруженість магнітного поля. Різниця магнітних потенціалів.

На практиці найчастіше доводиться мати справу з магнітними потоками, що їх створюють обмотки, по яких проходить електричний струм. Оскільки силова лінія магнітного поля замкнена, магнітний потік, який є сукупністю таких ліній, теж замкнений. Подібно до того, як електричний струм проходить по замкненому електричному колу, магнітний потік циркулює по замкненому магнітному колу.

Магнітне коло може складатися з однорідного матеріалу чи різнорідних магнітопровід них матеріалів. На рис.3.6 зображено магнітне коло з різнорідних матеріалів. Тут на шляху магнітного потоку Ф, створеного котушкою, що має w витків, по якій проходить струм І, зустрічається повітряний зазор. Однак наявність останнього не означає, що коло розімкнене, бо повітря теж є магнітопровід ним матеріалом,хоч і значно гіршим, ніж сталь.

Дослідом встановлено,що значення магнітного потоку Ф прямо пропорційно струму І та числу витків w. Добуток двох останніх величин називається магніторушійною силою(за аналогією е.р.с.) тобто

F = I w

Одиницею магніторушійної сили (м.р.с) в СІ є ампер (А).

Магнітний потік при проходженні по колу зазнає певного опору, який називається магнітним опором (R ). Значення останнього залежить не тільки від довжини L і перерізу S магнітопровода, а й від магнітних властивостей його матеріалу ( ):

R =

Опір складного магнітного кола (рис. 3.6) дорівнює сумі опорів його окремих ділянок. Магнітне коло розбивають на ділянки за принципом однорідності матеріалу ділянки та сталості її перерізу. Знаючи м. р. с. і магнітний опір,можна записати вираз магнітного потоку

Ф = F/R

Цей вираз аналогічний виразу сили струму в електричному колі і називається законом Ома для магнітного кола : магнітний потік прямо пропорційний м. р. с. й обернено пропорційний магнітному опору кола.

Відповідно Ф =

Магніторушійна сила котушки зі струмом витрачається на пропускання магнітного потоку по всьому магнітному колу.

Якщо магнітне коло складається з одного матеріалу і має сталий переріз, то, щоб пропустити магнітний потік через одиницю довжини магнітного шляху, треба витратити одиницю м. р. с., яка називається напруженістю магнітного поля (Н), причому

H = I /L

Знайдемо зв’язок між магнітною індукцією і напруженістю магнітного поля

Ф =

Але I /L = H

Тому Ф =

Маємо BS =

Або H = B/

Звідки B =

Тобто магнітна індукція дорівнює добутку абсолютної магнітної проникності середовища та напруженості магнітного поля.

Напруженість магнітного поля – величина векторна. Напрям вектора Н подібно до вектора магнітної індукції В збігається з напрямом поля в даній точці.

Одиницею напруженості магнітного поля в СІ є ампер на метр (А/м)

За аналогією з різницею електричних потенціалів запроваджено поняття різниці магнітних потенціалів (U ), яка визначається добутком напруженості магнітного поля та відстані між його двома точками, розташованими на одній силовій лінії:

U = HL

Різниця магнітних потенціалів між двома точками різних магнітних полів визначається складнішим шляхом.

Одиницею різниці магнітних потенціалів у СІ є ампер (А).

Закони електромагнітної індукції. Феромагнітні матеріали

Феромагнітні матеріали

Феромагнітні матеріали, до яких належать сталь, залізо, чавун, кобальт, а також деякі сплави (нікелю з алюмінієм), мають властивість намагнічуватися під дією зовнішнього магнітного поля. Якщо феромагнітне тіло внести навіть в слабке електромагнітне поле, то інтенсивність поля в середині тіла буде на багато більшою, ніж інтенсивність зовнішнього поля.

Це явище зумовлене тим, що кожне феромагнітне тіло складається з мікроскопічних областей, або, як кажуть, елементарних магнітиків. Звичайно вони розташовані хаотично і лише під дією зовнішнього магнітного поля повертаються в одному напрямі, перетворюючи нейтральне в магнітному відношенні тіло в магніт. Цей магніт створює своє магнітне поле, що додається до намагнічуючого поля. Ця властивість феромагнітних тіл широко використовується в електромашино-та апаратобудуванні.

При вивченні різних феромагнітних матеріалів з точки зору їх здатності намагнічуватися можна, здавалось би, користуватися формулою

B = H

Однак справа ускладнюється тим, що абсолютна магнітна проникність не є сталою величиною і змінюється зі зміною магнітного стану тіла, тобто зі зміною в ньому магнітної індукції В.

Отже, залежність між В та Н нелінійна і для її вираження вдаються до графічного методу.

На рис. 3.8 а зображено графік залежності В = f (H), який називається кривою первинного намагнічування феромагнітного матеріалу. Для одержання цієї кривої потрібно, щоб досліджуваний зразок матеріалу не мав магнетизму, тобто щоб процес його намагнічування починався з нуля.

Крива первинного намагнічування феромагнітного матеріалу має три ділянки: прямолінійну ділянку О , в межах якої між В та Н існує лінійна залежність; криволінійну ділянку ab, де магнітна індукція наростає повільніше, ніж напруженість намагнічуючого поля; прямолінійну ділянку після точки b, де В зі зростанням Н майже не змінюється. Ця ділянка називається ділянкою магнітного насичення матеріалу Фізично явище насичення можна уявити собі як такий стан, при якому всі елементарні магнітики повернулися відповідно до зовнішнього намагнічуючого поля.

Вивченням магнітних властивостей феромагнітних матеріалів займався російський учений О.Г. Столєтов, який в 1872р. дістав криву первинного намагнічування, а також криву їх гістерезису.

Щоб побудувати графік залежності магнітної індукції від напруженості намагнічуючого поля для досліджуваного зразка феромагнітного матеріалу, з нього виготовляють осердя, на яке намотують обмотку і пропускають через неї струм, напрям і силу якого плавно змінюють. Зміна сили струму в обмотці спричиняє зміну напруженості намагнічуючого поля Н. Збільшуючи цей струм від нуля до певного значення, дістають криву Oabc первинного намагнічуючого зразка (3.8б) Після досягнення точки с. тобто точки магнітного насичення зразка, починають зменшувати струм, тобто розмагнічувати зразок. Магнітна індукція в осереді зменшується, проте крива розмагнічування cd уже не збігатиметься з кривою Oabc а піде вище. При розмагнічуванні відбувається запізнення зменшення В зі зменшенням Н. Це явище відставання зменшення магнітної індукції в осереді від зменшення напруженості намагнічуючого поля називається магнітним гістерезисом.

При зменшенні струму до нуля Н теж знизиться до нуля, проте осередя продовжує зберігати свої магнітні властивості, що характеризуються відрізком Оd, який називається залишковою магнітною індукцією в зразку.

Далі змінюють напрям струму в обмотці і починають його збільшувати. Коли напруженість Н досягає значення Ое, магнітна індукція в осереді знизиться до нуля і воно повністю розмагнітиться. Значення напруженості намагнічуючого поля, потрібне для усунення залишкової магнітної індукції в зразку, називається коерцитивною,чи затримуючою, силою.

Продовжуючи збільшувати струм в обмотці, намагнічують зразок до точки магнітного насичення f.

Потім починають зменшувати струм і дістають криву fg. Ділянка Оg також характеризує залишкову магнітну індукцію в зразку. Змінивши знову напрям струму в обмотці, дістають криву ghc. Ділянка Oh теж характеризує коерцитивну силу. Дальше розмагнічування зразка піде знов за кривою cd і т.д.

Щоб дістати знову криву Оabc, зразок треба повністю розмагнітити і починати збільшувати Н від нуля.

Процес, який характеризується петлею магнітного гістерезису, називається перемагнічуванням. При перемагнічуванні осердя нагрівається, тобто відбувається втрата енергії, що називається втратою від магнітного гістерезису.

Здебільшого магнітний гістерезис – явище шкідливе. Але для виготовлення постійних магнітів, де потрібна максимальна залишкова магнітна індукція, застосовуються магнітно-тверді феромагнітні матеріали, в яких залишкова індукція та втрата на гістерезис великі.

При виготовленні магнітопроводів, які зазнають частого перемагнічування, особливо магнітопроводів змінного струму, застосовуються магнітно-м’які матеріали, в яких залишкова індукція та втрата на гістерезис малі.

Електромагнітна індукція

Проходження струму по провіднику супроводжується створенням магнітного поля, Дослідом встановлено, що магнітне поле може бути причиною створення електричного струму. Для цього потрібно, щоб провідник рухався в магнітному полі і перетинав його силові лінії.

При переміщенні провідника в магнітному полі в ньому виникає струм, який можна виявити за відхиленням стрілки гальванометра. Це свідчить про появу на кінцях провідника е. р. с. Вона називається індуктивною е. р. с. і, в свою чергу, створює електричний струм, який називається індуктивним.

При проведені цього досліду можна помітити такі явища :

1. При зміні напряму руху провідника чи полярності магнітного поля змінюється напрям відхилення стрілки гальванометра.

2. Якщо перетинати силові лінії магнітного поля не в перпендикулярному напрямі,а під кутом , то при однаковій швидкості руху провідника стрілка відхиляється на менший кут, тобто сила індуктивного струму зменшується. Коли провідник переміщується так, щоб він не перетинав силових ліній, а лише ковзав вздовж них, то струм в колі не виникає.

3. Зі збільшенням швидкості руху провідника сила індуктивного струму збільшується і стрілка гальванометра відхиляється більше.

4. Якщо провідник переміщується в інтенсивному магнітному полі,то при тій самій швидкості руху провідника сила індуктивного струму буде більшою.

5. У провіднику більшої довжини сила індуктивного струму була більшою.

На підставі вищевикладеного можна зробити такий висновок: напрям індуктивного струму залежить від напряму руху провідника та полярності магнітного поля.

Для визначення напряму індуктивного струму користуються правилом правої руки : якщо розмістити праву руку так, щоб силові лінії магнітного поля входили в долоню, а відігнутий великий палець збігався з напрямом руху провідника, то витягнуті чотири пальці вкажуть напрям індуктивного струму.

Напрям індуктивного струму часто визначається за правилом Ленца.

Якщо рухати провідник праворуч, то за правилом правої руки в ньому виникне індуктивний струм «від нас». А провідник зі струмом, який виник, взаємодіючи з магнітним полем, прагнутиме за правилом лівої руки рухатися ліворуч.

Якщо провідник рухати ліворуч, то в ньому виникає індуктивний струм «на нас», який, взаємодіючи з магнітним полем, прагнутиме рухатися праворуч.

Ці досліди дали змогу Е. Х. Ленцу сформулювати таке правило : напрям індуктивної е. р. с. такий, що зумовлений нею струм і його магнітне поле протидіють причині виникнення цієї е. р. с. і струму.

Значення індуктивної е. р. с. прямо пропорційна магнітній індукції поля, довжині провідника і швидкості його руху. Якщо провідник рухається не під прямим кутом до силових ліній магнітного поля, а під якимсь кутом (вектор v на рис. 3/9,а), то враховуються тільки його складова v , яка прагне рухати провідник поперек силових ліній. Ця складова дорівнює швидкості v, помноженій на синус кута :

v = v

Таким чином,

Е = Вtv

Якщо провідник перетинає силові лінії магнітного поля в перпендикулярному до них напрямі, то = 90 , = 1 і значення Е буде максимальним.

При переміщенні провідника вздовж силових ліній магнітного поля

= 0, = 0 і Е = 0.

Явище магнітної індукції має велике практичне значення. На цьому, зокрема, ґрунтується дія електричного генератора і багатьох приладів.

Магнітним колом називається конструкція з однієї чи кількох деталей, виготовлених з феромагнітного матеріалу одного чи кількох видів. Магнітні властивості цих матеріалів можуть бути різними.

Крім цього, магнітні кола бувають нерозгалуженими та розгалуженими. Прикладом перших може бути магнітопровід однофазного трансформатора, в якого інтенсивність магнітного поля в довільному місті однакова, а прикладом других – магнітна система генератора постійного струму, де магнітні потоки в ярмі, головних і додаткових осердях різні.

Однофазні електричні кола змінного струму.

Змінним називається такий струм, сила й напрям якого з часом змінюються. Розглянемо періодичний змінний струм, який через однакові проміжки часу, що називаються періодами ,повторює своє значення.

У народному господарстві й побуті в основному застосовується змінний струм. Це пояснюється тим, що він має ряд істотних переваг над постійним струмом.

Змінний струм можна трансформувати, що дає змогу дістати струм високої напруги, потрібний для передавання електричної енергії на великі відстані, а також струм низької напруги, який застосовується для живлення різних струмоприймачів.

У техніці застосовується в основному гармонічні змінні струми, що змінюються за законом синуса. Вони називаються синусоїдальними струмами.

Джерелом такого струму може бути чи генератор, чи інвертор, який перетворює постійний струм у змінний.

Період - це час, протягом якого відбувається повний цикл миттєвих значень е. р. с. Виражається в секундах або в кутових градусах і позначається - Т. Максимальне, чи амплітудне значення е. р. с. позначається Е , максимальне значення струму - І .

Частота – це величина обернена періоду, тобто

F = I/T

Частота виражається в герцах (Гц). Кутова частота = 2 f

Кут, який характеризує положення провідника в магнітному полі називається фазним кутом, або фазою - t.

Сукупність векторів називається векторною діаграмою.

Додавати та віднімати можна тільки вектори синусоїдних величин однакової частоти.

Діюче значення змінного струму чисельно дорівнює такому умовному постійному струму, який проходячи через однаковий зі змінним струмом опір, за однаковий проміжок часу виділяє таку саму кількість теплоти.

При послідовному з’єднанні кількох струмоприймачів додавати можна тільки активні або реактивні опори, зважаючи на їхні знаки. Індуктивні опори беруться з позитивною позначкою, а ємнісні - з від’ємною. Додавати модулі повних опорів не можна.

Коливальний контур складається з котушки індуктивності L і конденсатора С.

Резонанс напруг виникає в колі, що складається з активного опору, індуктивності і ємності коли їхні реактивні опори однакові. При резонансі напруг частота змінної напруги, що підводиться до контура співпадає з частотою коливань контура, f = f Резонанс напруг можна отримати при постійних параметрах контура, змінюючи частоту напруги, що до нього підводиться. Якщо частота джерела енергії залишається постійною, то щоб отримати резонанс змінюють індуктивність котушки L або ємність конденсатора С.

Резонанс напруг використовують для настройки приймаючих та передаючих пристроїв в області автоматики і зв’язку на певну частоту. В електроенергетичних пристроях резонанс напруг неприпустимий.

Резонанс напруг призводить до значного збільшення напруги, що являє собою небезпеку для ізоляції і обслуговуючого персоналу.

Розгалужене коло змінного струму;

Активні і реактивні складові струмів; векторні діаграми струмів;резонанс струмів.

Коефіцієнт потужності.

Коло змінного струму, що складається з паралельно з’єднаних індуктивного та ємнісного опору і послідовно з першим ввімкнено активний опір називається розгалуженим.

На вході кола загальний струм І розгалужується на струм І , який проходить по вітці з активним та індуктивним опорами, і струм І , який проходить по вітці з ємнісним опором.

До обох паралельних віток проходить спільна напруга U. Струм І за фазою відставатиме від напруги U на кут, менший за 90 , а струм І випереджатиме напругу U на кут 90 .

Зобразимо векторну діаграму

Усі вектори на векторній діаграмі (крім вектора U), а також кути та можуть змінюватися залежно від значень R, Х , Х . При цьому можливі такі випадки:

• І І , коли кут відстаючим, тобто вектор І за фазою відстає від вектора U;

• І І , коли кут буде випереджаючим, тобто вектор І за фазою випереджає вектор U;

• І = І , коли кут = 0, тобто вектор І збігається за фазою з вектором U.

Випадок, при якому індуктивний струм у колі дорівнює за значенням ємнісному, називається резонансом струмів.

Ознаками резонансу струмів в колі є такі:

1. Загальний струм І дорівнює його активній складовій І , тобто менший, ніж струм у вітці з індуктивним та активним опорами.

2. Струм І збігається за фазою з напругою U ( = 0).

Явище резонансу струмів має велике практичне значення. Якщо до електродвигуна змінного струму, що має активний та індуктивний опори, паралельно приєднати конденсатор такої ємності, щоб у колі настав резонанс струму, тобто щоб І = І , то струм у підвідних проводах (загальний струм І) стане меншим, ніж струм, який споживає двигун. Струмове навантаження в підвідних проводах, трансформаторах на знижувальних підстанціях і генераторах електростанцій зменшиться. Отже, для живлення двигуна можна буде взяти проводи меншого поперечного перерізу, ніж при відсутності резонансу струмів. Необхідна потужність трансформаторів і генераторів при цьому знизиться.

Якщо при постійному струмі є один вид потужності, то при змінному – їх три. Помноживши всі сторони трикутника напруг на значення струму І , дістанемо трикутник потужностей.

Горизонтальний катет трикутника (як добуток струму і активної складової напруги) називається активною потужністю:

Р = І R = IU = UI

Активна потужність виражається в ватах (Вт). Для її вимірювання застосовується ватметр. У струмоприймачах вона витрачається на виконання корисної роботи.

Вертикальний катет трикутника потужностей ( як добуток індуктивної складової напруги та струму) називається реактивною потужністю:

Q = I X = IU = UI

Реактивна потужність виражається в вольт-амперах реактивних. У колах з індуктивним навантаженням ця потужність витрачається на створення та підтримання магнітного поля. Вона неперервно переходить від генератора до індуктивного навантаження, де створює магнітне поле, а потім повертається до генератора.

Гіпотенуза трикутника потужностей (як добуток струму та повної напруги) називається повною потужністю:

S = I Z = IU

Повна потужність виражається в вольт-амперах (В-А). Це та гранична потужність, яку може віддати генератор за своїми даними.

Якщо струмоприймачем є чисто активне навантаження, то активна й повна потужності збігаються. Якщо ж навантаження реактивне, то повна потужність завжди більша від активної.

З трикутника потужностей випливає що:

S =

З трикутника потужностей випливає, що:

= P/S

Величина, що показує, яку частину від повної потужності становить корисна, активна потужність, називається коефіцієнтом потужності ( ).

Коефіцієнт потужності вимірюється фазометром. Той чи інший в колі визначається характером навантаження ( активне, індуктивне, ємнісне ).

Для підтримки високого значення треба додержуватися таких правил:

1. Не допускати тривалої роботи двигунів чи трансформаторів вхолосту або з недовантаженням.

2. Правильно вибирати двигун за потужністю, частотою обертання та виконанням,застосовуючи переважно швидкохідні двигуни відкритого чи захищеного типу ( залежно від умов роботи ).

3. Застосовувати статичні конденсатори та синхронні компенсатори.

Значення коефіцієнта потужності можна визначати як для окремих споживачів так і для підприємства в цілому.