6. Взаємодія провідників зі струмами

Якщо два або декілька провідників, через які протікають електрич­ні струми, розмістити паралельно, то ці провідники, залежно від на­прямку струму в них, будуть взаємно притягуватись або відштовху­ватись. Така взаємодія провідників відбувається внаслідок виник­нення магнітного поля навколо кожного з провідників.

У явімо два провідники аб та вг (рис. 20, а), через які протікають струми протилежних напрямків. Навколо провідників маємо магніт­ні поля. Згідно з правилом свердлика магнітні лінії цих полів спрямо­вані так, як показано в нижній частині рисунка. Якщо дивитися вздовж провідників згори, то навколо провідника аб магнітні лінії будуть спрямовані за годинниковою стрілкою, а навколо провідника вг — проти годинникової стрілки. Отже, ці лінії у просторі між про­відниками матимуть однакові на­прямки і провідники взаємно від­штовхуватимуться, так само як і однойменні полюси магнітів. Якщо через провідники пропустити стру­ми однакових напрямків (рис. 20, б), то лінії магнітних полів, що виникають навколо провідників, у просторі між провідниками будуть спрямовані у протилежні боки, тому провідники будуть взаємно притягуватись.

Сила взаємодії провідників, че­рез які протікають струми, прямо пропорційна добуткові сил цих струмів І₁ та І₂ на абсолютну магнітну проникність μ_а та на довжину l (довжину зближення), протягом якої провідники проходять паралельно, й обернено пропорційна відстані між провідниками а, тобто F = μ_а І₁І₂l/а. Якщо провідники перебу­вають у немагнітному середовищі, тобто коли μ_а = μ_о = 4π × 10^-7 В · с/(А · м), то сила взаємодії провідників у ньютонах (Н)

F = (2 І₁І₂l/а) ·10^-7 .

7. Гістерезис

Початкова крива намагнічування визначає співвідношення між магнітною індукцією та напруженістю (В і Н) лише для феромагніт­ного матеріалу, який не зазнає намагнічування. Соленоїд, у якому є залізне осердя, називається електромагнітом.

Якщо електричне коло (рис. 21, а), що складається із джерела Б (наприклад, акумуляторної батареї), перемикача П на два положення (1—2 та 3—4), реостата Р і електромагніту Е, розімкнене, то струму в обмотці електромагніту Е немає. Установимо перемикач П на контак­ти 1—2 і введемо повністю опір реостата. У колі з'явиться невеликої сили струм, який протікатиме в такому напрямку: плюс батареї Б — контакт 1 — реостат Р — обмотка електромагніту Е — контакт 2 — мінус батареї Б.

Відповідно до сили цього струму в електромагніті виникає магніт­не поле з певною напруженістю Н_а та магнітною індукцією В_а. Засто­сувавши правило свердлика, знайдемо, що магнітний потік в осерді електромагніту спрямований справа наліво, тобто лівий кінець осер­дя є північним, а правий — південним полюсом електромагніту Е. Відкладемо на горизонтальній осі (рис. 21, б) у масштабі напруже­ність поля Н_а, а на вертикальній - індукцію В_а. Установивши перпенд икуляри з точок відкладених значень Н_а і В_а на горизонтальній і вертикальній осях, матимемо точку перетину а, яка буде першою точкою кривої почат-кового намагнічування осердя електромагніту.

Пересуваючи повзунок реостата Р донизу, зменшуватимемо його опір. Внаслідок цього збільшаться сила струму в обмотці електромаг­ніту і напруженість магнітного поля. Знайшовши зазначеним вище способом точки б, в, г та д і з'єднавши їх між собою, матимемо криву початкового намагнічування осердя. Ця крива показує, що магнітна індукція на початку намагнічування збільшується пропорційно на­пруженості поля (ділянка Оа), потім зростання її сповільнюється, крива перегинається (точка б) і знову наближається до прямолінійної, але вже з невеликим нахилом до горизонтальної осі. На цій останній ділянці збільшення напруженості поля обумовлює невелике зростан­ня магнітної індукції; з подальшим пересуванням повзунка реостата Р магнітна індукція в електромагнітному осерді практично не підви­щується. У цьому разі кажуть, що осердя досягло магнітного наси­чення.

Зі зменшенням напруженості магнітного поля електромагніту магнітна індукція залізного осердя також починає зменшуватись, але залишається дещо більшою, ніж у процесі намагнічування, при одних і тих же значеннях напруженості. З розімкненням кола струм в електромагніті припиниться, а індукція все-таки матиме деяке зна­чення, що визначається відрізком Ож (див. рис. 21, б). Це свідчить про те, що в осерді зберігся певний залишковий магне­тизм. Якщо припинити розмагнічування, то залізне осердя зали­шиться штучним (постійним) магнітом і матиме залишкову магнітну індукцію. Розглянуте відставання зменшення магнітної індукції від зниження напруженості магнітного поля називається гістерези­сом.

Щоб залізне осердя не мало залишкового магнетизму, потрібно його перемагнітити, тобто здійснити намагнічування у зворотному на­прямку. Для цього перемикач П (див. рис. 21, а) треба перевести на контакти З—4. Тоді в обмотці електромагніту виникне струм проти­лежного напрямку, а саме: плюс батареї Б — контакт 3 — обмотка електромагніту Е — реостат Р — контакт 4 — мінус батареї Б. Згід­но з правилом свердлика під дією цього струму в електромагніті ви­никне магнітне поле, спрямоване зліва направо, тобто протилежне магнітному потокові залишкового магнетизму, яке розмагнічуватиме осердя. Поступово, пересуваючи повзунок реостата, досягнемо поло­ження, за якого напруженість магнітного поля електромагніту матиме значення, що визначається відрізком Оз (див. рис. 21, б). Такому зна­ченню напруженості відповідатиме магнітна індукція в осерді електро­магніту, яка дорівнює нулеві, тобто осердя перестане бути магнітом. Напруженість поля, за якої осердя розмагнічується, називається коерцітивною (затримуючою) силою.

Я кщо провести повний цикл перемагнічування, тобто знизити си­лу струму в обмотці електромагніту від якогось найбільшого значення до нуля, потім, змінивши ії напрямок струму, збільшити його, після чого знову зменшити і т. д., то магнітна індукція змінюватиметься по кривій, яка називається петлею гістерезису.

Під час перемагнічування на подолання тертя між молекулярни­ми магнітиками витрачається деяка кількість енергії, що називається втратами на гістерезис. Ця енергія, перетворюючись у теплоту, нагріває перемагнічувані феромагнітні матеріали (частини електричних апаратів). Феромагнітні матеріали мають велику магнітну проникність і характеризуються властивостями намагнічуватись, що можна пояснити ось чим. Безперервний рух електронів у будь-якій речовині можна розглядати як внутрішньомолекулярні струми, що збуджують магнітне поле. Оскільки електрони не тільки рухають­ся навколо ядра, але й обертаються навколо власної осі, виникає та­кож магнітне поле, обумовлене обертанням електронів, причому воно значно сильніше від поля, що утворилося внаслідок руху електронів навколо ядра. У неферомагнітних речовинах магнітні поля, утворені обертанням електронів навколо власної осі, у кожному атомі взаємно зрівноважуються і тіло позбавлене властивості намагнічуватись. У феромагнітних матеріалах магнітні поля, обумовлені обертальним рухом електронів, не зрівноважені завдяки особливій будові атомів. Під дією цих полів у тілі утворюються намагнічені ділянки, що нагадують найдрібніші магнітики. У разі відсут­ності зовнішнього магнітного поля магнітики розташовуються безладно (рис. 22, а), і феро­магнітне тіло не виявляє магнітних властивос­тей.

Під час намагнічування залізного осердя деякі магнітики під дією напруженості маг­нітного поля починають поводитися так, що їхні північні полюси поступово повертаються в один бік, а південні - в інший (рис. 22,6), потім зі збільшенням напруженості магнітно­го поля повертається й решта молекулярних магнітиків. У залізному осерді, доведеному до магнітного насичення, молекулярні магні­тики розташовані так, як це схематично пока­зано на рис. 22, в. Залізне або сталеве осердя, поміщене все­редині соленоїда, під час пропускання стру­му через соленоїд набуває магнітних власти­востей. Осердя з магнітотвердої сталі внаслідок великої коерцітивної сили, властивої цьому матеріалові, значною мірою зберігає маг­нітні властивості і після зникнення магнітного поля. У такий спосіб виготовляють штучні магніти.

Полярність електромагніту визначають за правилом свердлика. Для цього можна використати ще й інше правило: північний полюс електромагніту знаходиться з того боку, де струм для спостерігача, який дивиться на кінець електромагніту, спрямований проти годинни­кової стрілки, а південний — де напрямок струму збігається з напрям­ком руху годинникової стрілки.

Електромагніти широко застосовуються в підіймальних та гальмів­них механізмах, у верстатах для обробки сталевих деталей, в електро-автоматах, реле та інших пристроях.