1.2. Электромагнетизм

1.2.1. Магнитное поле

Магнитное поле — одна из двух сторон электромагнитного поля, характеризующаяся воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и ее скорости.

Магнитное поле изображается силовыми линиями, касательные к которым совпадают с ориентацией магнитных стрелок, внесенных в поле (рисунок 3.1). Таким образом, магнитные стрелки как бы являются пробными элементами для магнитного поля.

За положительное направление магнитного поля условно принимают направление северного полюса магнитной стрелки. Можно утверждать, что магнитное поле и электрический ток — взаимосвязанные явления.

Вокруг проводника, в котором существует ток, всегда имеется магнитное поле, и, наоборот, в замкнутом проводнике, движущемся в магнитном поле, возникает ток.

1.2.2. Магнитная индукция. Характеристики магнитного поля

Магнитная индукция В — векторная величина, характеризующая магнитное поле и определяющая силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля. Эта характеристика является основной характеристикой магнитного поля, так как определяет электромагнитную силу, а также ЭДС индукции в проводнике, перемещающемся в магнитном поле. Единицей магнитной индукции является вебер, деленный на квадратный метр, или тесла (Тл): [В]=1 Вб/1 м²=1 Тл.

Абсолютная магнитная проницаемость среды μ_a — величина, являющаяся коэффициентом, отражающим магнитные свойства среды:

(1.7)

где (Ом·с)/м — магнитная постоянная, характеризующая магнитные свойства вакуума. Единицу Ом-секунда (Ом·с) называют генри (Гн). Таким образом, [μ₀] =Гн/м.

Величину μ_r называют относительной магнитной проницаемостью среды. Она показывает, во сколько раз индукция поля, созданного током в данной среде, больше или меньше, чем в вакууме, и является безразмерной величиной. Для большинства материалов проницаемость μ_r постоянна и близка к единице. Для ферромагнитных материалов μ_r является функцией тока, создающего магнитное поле, и достигает больших значений (10²-10⁵).

Напряженность магнитного поля Н векторная величина, которая не зависит от свойств среды и определяется только токами в проводниках, создающими магнитное поле.

Направление вектора Н (рисунок 1.1) для изотропных сред совпадает с вектором В и определяется касательной, проведенной в данной точке поля (точка А) к силовой линии. Напряженность связана с магнитной индукцией соотношением:

(1.8)

Единица напряженности магнитного поля — ампер на метр: [Н]=1 А/1 м.

Рисунок 1.1 – Магнитное поле плоского магнита

Магнитный поток Ф — поток магнитной индукции. Магнитный поток Ф через площадку S в однородном магнитном поле равен произведению нормальной составляющей вектора индукции В_п на площадь S площадки:

(1.9)

1.2.3. Перемагничивание и коэрцитивная сила

Материалы, обладающие большой магнитной проницаемостью, называют ферромагнитными. К ним относятся железо, никель, кобальт и их сплавы. Оказавшись во внешнем магнитном поле, эти материалы значительно усиливают его. Это явление упрощенно можно объяснить таким образом.

Ферромагнитные материалы имеют области самопроизвольного намагничивания. Магнитное состояние каждой из таких областей характеризуется вектором намагниченности. Векторы намагниченности отдельных областей (доменов) ориентированы случайным образом. Поэтому намагниченность ферромагнитных тел в отсутствие внешнего магнитного поля не проявляется.

Если ферромагнитное тело поместить во внешнее магнитное поле, то под его воздействием произойдут изменения, в результате которых векторы намагниченности отдельных областей самопроизвольного намагничивания будут ориентированы в направлении внешнего поля. Индукция результирующего магнитного поля будет определяться как индукцией внешнего поля, так и магнитной индукцией отдельных, доменов, т.е. результирующее значение индукции будет намного превышать ее начальное значение. Таким образом, суммарное магнитное поле значительно превысит внешнее поле.

Если через катушку пропускать ток, меняющий свое направление, то сердечник будет перемагничиваться. Рассмотрим этот процесс (рисунок 2.2). При увеличении тока в катушке магнитная индукция возрастает до индукции насыщения (точка а). При уменьшении тока магнитная индукция снижается но так, что при тех же значениях Н она оказывается больше значений магнитной индукции, соответствующих увеличению тока. Это объясняется тем, что часть доменов еще сохраняет свою ориентацию. Таким образом, при H = 0 в сердечнике сохраняется магнитное поле, характеризуемое остаточной индукцией В_r (точка b). При увеличении тока в противоположном направлении магнитное поле катушки компенсирует магнитное поле, созданное доменами сердечника. При напряженности поля Н_c (точка с), которая называется коэрцитивной силой, результирующая магнитная индукция окажется равной нулю. Дальнейшее увеличение тока в катушке вызовет перемагничивание сердечника, т.е. поворот векторов намагниченности на 180°. При некотором значении Н (точка d) сердечник снова будет насыщаться. При уменьшении тока в катушке до нуля индукция будет уменьшаться до остаточной индукции (точка е). Увеличение тока в положительном направлении вызовет намагничивание сердечника до исходного состояния (точка а). Полученную кривую называют петлей гистеризиса (запаздывания). Участок 0-а характеристики намагничивания называют основной кривой намагничивания.

Рисунок 1.2 – Схема процесса циклического перемагничивания

Процесс перемагничивания связан с затратами энергии и сопровождается выделением теплоты. Энергия, которая затрачивается за один цикл перемагничивания, пропорциональна площади, ограниченной петлей гистеризиса. В зависимости от вида петли гистеризиса ферромагнитные материалы подразделяют на магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкие материалы обладают круто поднимающейся основной кривой намагничивания и относительно малыми площадями гистеризисных петель. Для магнитотвердых материалов характерны пологость основной кривой намагничивания и большая площадь гистеризисной петли. На рисунке 1.3, а – в приведены петли гистерезиса для различных материалов.

а – электротехническая сталь (магнитомягкий материал); б – пермаллой (магнитомягкий материал); в – магнико (магнитотвердый материал)

Рисунок 1.3 – Петли гистерезиса для различных материалов