§ 24. Закон полного тока. Магнитный поток. Магнитные цепи 347

Проинтегрировав полученное выражение в пределах от х\ = а до i2 = 2а, найдем

2а

' da; ^o^

■ In a;

2тг

2тг

Ф =

Подставив пределы, получим

2тг

(1)

• Связь между магнитной индукцией В поля в ферромагнетике и на-пряженностью Н намагничивающего поля выражается графически (рис. 24.1).

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример 1. В одной плоскости с бесконечно длинным прямым про¬водом, по которому течет ток / = 50 А, расположена прямоугольная рамка так, что две большие стороны ее длиной I — 65 см параллельны проводу, а расстояние от провода до ближайшей из этих сторон равно ее ширине. Каков магнитный поток Ф, пронизывающий рамку?

Решение. Магнитный поток Ф через поверхность площадью 5 определяется выражением

3ndS.

В нашем случае вектор магнитной индукции В перпендикулярен плоско¬сти рамки. Поэтому для всех точек рамки Вп = В. Магнитная индукция

X ® в

a a

В =

В, создаваемая бесконечно длинным прямым

II d проводником с током, определяется формулой

2тга:'

где х — расстояние от провода до точки, ч ко-торой определяется В.

Рис. 24.2

Для вычисления магнитного потока заме-тим, что так как В зависит от а; и элементар¬ный поток Ф будет также зависеть от х, то

Убедимся в том, что правая часть полученного равенства дает еди¬ницу магнитного потока — вебер (Вб):

Ы [I] [I] = 1 Гн/м • 1 А ■ 1 м = 1 Вб. Произведя вычисления по формуле (1), найдем

Ф = 4,5 мкВб.

Пример 2. Определить индукцию В и напряженность Н магнит¬ного поля на оси тороида без сердечника, по обмотке которого, содержа¬щей ЛГ = 200 витков, идет ток / — 5 А. Внешний диаметр d\ тороида равен 30 см, внутренний da = 20см.

Решение. Для определения напряженности магнитного поля вну¬три тороида вычислим циркуляцию вектора Н вдоль линии магнитной индукции поля: § Hdl.

Из условия симметрии следует, что линии магнитной индукции то¬роида представляют собой окружности и что во всех точках этой линии напряженности одинаковы. Поэтому в выражении циркуляции напря-женность Я можно вынести за знак интеграла, а интегрирование прово¬дить в пределах от нуля до 2ят, где I — радиус окружности, совпадающей с линией индукции, вдоль которой вычисляется циркуляция, т. е.

2лт

= 2ТГГ#.

(2)

<f>Hdl =

L

С другой стороны, в соответствии с законом полного тока циркуляция вектора напряженности магнитного поля равна сумме токов, охватывае-мых контуром, вдоль которого вычисляется циркуляция:

Разобьем площадь рамки на узкие элементарные площадки длиной /, шириной da; и площадью dS = Idx (рис. 24.2). В пределах этой площадки магнитную индукцию можно считать постоянной, так как все части площадки равноудалены (на расстояние а;) от провода.

С учетом сделанных замечаний элементарный магнитный поток можно записать в виде

2пх

22"

/

Приравняв правые части равенств (2) и (3), получим

2тгг# =

(3)

(4)

348

Гл. 5. Электромагнетизм

§ 24. Закон полного тока. Магнитный поток. Магнитные цепи 349

Линия, проходящая вдоль тороида, охватывает число токов, равное числу витков тороида. Сила тока во всех витках одинакова. Поэтому формула (4) примет вид 2тггН — N1, откуда

Я =

(5)

N1 2ттг'

Под-

2NI

Для средней линии тороида г = (l/2)(i?i + Д2) ставив это выражение г в формулу (5), найдем

(6)

я =

Магнитная индукция Во в вакууме связана с напряженностью поля соотношением Во = цоН- Следовательно,

Во =

(7)

2»0NI (di + d2)

Подставив значения величин в выражения (6) и (7), получим Я = 1,37 к А/м, Во = 1,6 мТл.

Пример 3. Чугунное кольцо имеет воздушный зазор длиной 10 = = 5 мм. Длина I средней линии кольца равна 1 м. Сколько витков N содержит обмотка на кольце, если при силе тока / = 4 А индукция В магнитного поля в воздушном зазоре равна 0,5 Тл? Рассеянием магнит¬ного потока в воздушном зазоре можно пренебречь. Явление гистерезиса не учитывать.

Решение. Пренебрегая рассеянием магнитного потока, мы можем принять, что индукция поля в воздушном зазоре равна индукции поля в чугуне. На основании закона полного тока запишем

IN = Hl + Holo-

По графику (см. рис. 24.1) находим, что при В = 0,5 Тл напряжен¬ность Я магнитного поля в чугуне равна 1,2 к А/м. Так как для воздуха ц = 1, то напряженность поля в воздушном зазоре

Но = — = 4 • 105 А/м.

Искомое число витков

ЗАДАЧИ Закон полного тока

24.1. По соленоиду длиной I = 1м без сердечника, имеющему N = 103 витков (см. рис. 24.2), течет ток / = 20 А. Определить циркуляцию вектора магнитной индукции вдоль контура, изобра¬женного на рис. 24.3а, б.

Рис. 24.3

Рис. 24.4

24.2. Вычислить циркуляцию вектора индукции вдоль контура,

охватывающего токи 1\ = 10 А, /г = 15 А, текущие в одном напра-

влении, и ток /з = 20 А, текущий в проти¬

воположном направлении.

24.3. По сечению проводника равномерно

распределен ток плотностью j — 2-Ю6 А/м2.

Найти циркуляцию вектора напряженности

вдоль окружности радиусом R = 5 мм, про¬

ходящей внутри проводника и ориентиро¬

ванной так, что ее плоскость составляет

угол а = 30° с вектором плотности тока.

24.4. Диаметр D тороида без сердечника

по средней линии равен 30 см. В сечении

тороид имеет круг радиусом г = 5 см. По

обмотке тороида, содержащей N = 2000 витков, течет ток / = 5 А (рис. 24.4). Пользуясь законом полного тока, определить макси¬мальное и минимальное значение магнитной индукции В в тороиде.

Магнитный поток

24.5. Найти магнитный поток Ф, создаваемый соленоидом се¬

чением S — 10см2,-если он имеет п — 10 витков на каждый сан¬

тиметр его длины при силе тока / = 20 А.

24.6. Плоский контур, площадь S которого равна 25 см2, на¬

ходится в однородном магнитном поле с индукцией В = 0,04 Тл.

Определить магнитный поток Ф, пронизывающий контур, если

плоскость его составляет угол /3 = 30° с линиями индукции.

24.7. При двукратном обводе магнитного полюса вокруг провод¬

ника с током / = 100 А была совершена работа А = 1 мДж. Найти

магнитный поток Ф, создаваемый полюсом.

350

Гл. 5. Электромагнетизм

24.8. Соленоид длиной [ = 1ми сечением S — 16 см2 содержит

N — 2000 витков. Вычислить потокосцепление Ф при силе тока /

в обмотке 10 А.

24.9. Плоская квадратная рамка со стороной a = 20 см лежит

в одной плоскости с бесконечно длинным прямым проводом, по

которому течет ток / = 100 А. Рамка расположена так, что бли¬

жайшая к проводу сторона параллельна ему и находится на рас¬

стоянии I = 10 см от провода. Определить магнитный поток Ф,

пронизывающий рамку.

24.10. Определить, во сколько раз отличаются магнитные по¬

токи, пронизывающие рамку при двух ее положениях относитель¬

но прямого проводника с током, представленных на рис. 24.5.

5а

Рис. 24.5

24.11. Квадратная рамка со стороной длиной а = 20 см располо¬

жена в одной плоскости с прямым бесконечно длинным проводом

с током. Расстояние / от провода до середины рамки равно 1 м.

Вычислить относительную погрешность, которая будет допущена

при расчете магнитного потока, пронизывающего рамку, если поле

в пределах рамки считать однородным, а магнитную индукцию —

равной значению ее в центре рамки.

24.12. Тороид квадратного сечения содержит N = 1000 витков.

Наружный диаметр D тороида равен 40 см, внутренний d = 20 см.

Найти магнитный поток Ф в тороиде, если сила тока /, протекаг

ющего по обмотке, равна 10 А.

Указание. Учесть, что магнитное поле тороида неоднородно.

Магнитная индукция в ферромагнетике

24.13. Железный сердечник находится в однородном магнит¬

ном поле напряженностью Н = 1кА/м. Определить индукцию

В магнитного поля в сердечнике и магнитную проницаемость /i

железа8).

24.14. На железное кольцо намотано в один слой N = 500 вит¬

ков провода. Средний диаметр d кольца равен 25 см. Определить