Тема 1.3. Магнитное поле и электромагнитная индукция

Программа

Магнитное поле постоянного тока. Магнитная индукция и напряженность магнитного поля, магнитная проницаемость, магнитный поток. Закон полного тока. Закон Био-Савара. Магнитное поле провода с током, магнитное поле катушки.

Работа при перемещении в магнитном поле контура с то­ком. Потокосцепление. Индуктивность. Индуктивность кату­шек. Индуктивность двухпроводной линии.

Взаимное потокосцепление и взаимная индуктивность. Магнитное рассеяние. Понятие о коэффициенте связи.

Магнитное поле в ферромагнитной среде. Магнитные свойства вещества. Циклическое перемагничивание ферро­магнитных материалов, магнитный гистерезис. Энергия маг­нитного поля.

Электромагнитная индукция. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца. ЭДС, индуктируемая в контуре при изменении его потокосцепления. ЭДС, индуктируемая в проводе, движущемся в магнитном поле. Принцип действия электромашинного генератора и электродвигателя постоян­ного тока. ЭДС самоиндукции и взаимной индукции. Прин­цип действия трансформатора. Вихревые токи, случаи их ис­пользования. Потери от вихревых токов и способы их умень­шения.

Методические указания

Тема 1.3. имеет связь с темой 1.1. Три основные свойства магнитного поля: способность намаг­ничивать некоторые тела, то есть придавать им свойства по­стоянных магнитов; способность перемещать проводники с током; способность возбуждать электродвижущую силу в проводниках, которые пересекают магнитное поле. Эти свой­ства широко используются в практической электротехнике: в электрических двигателях и электрических генераторах, электроизмерительных приборах и аппаратах, силовых и спе­циальных трансформаторах. Надо помнить, что электрическое и магнитное поля являются двумя неразрывно связанными формами материи и что ни одно из них не может сущест­вовать без другого.

Обратите внимание на то, что сила действия на провод­ник с током, помещенный в магнитное поле, пропорциональ­на магнитной индукции. Это явление используется в элек­троизмерительных приборах, электрических двигателях и других устройствах. Поэтому надо знать, каким образом можно увеличить магнитную индукцию. Согласно закону Био-Савара магнитная индукция пропорциональна току в проводнике и абсолютной проницаемости среды µа. :

µа = µ µ₀

где µ— относительная магнитная проницаемость среды;

µ₀ — магнитная постоянная.

Для диамагнитных веществ µ < 1, например, для меди µ = 0,999995. Для магнитных веществ µ > 1 , например, для воздуха µ = 1,0000031. Для практических расчетов маг­нитная проницаемость диамагнитных и парамагнитных ве­ществ принимается равной единице. Особую группу состав­ляют ферромагнитные материалы, играющие исключительно важную роль в практической электротехнике. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов достигает зна­чений сотен тысяч. Так как любая электрическая машина или аппарат представляют собой электромагнит, то сердеч­ники всех машин и аппаратов выполняются из ферромагнит­ных материалов.

Работа всех электрических машин и трансформаторов основана на использовании закона электромагнитной индук­ции. Индуктированная ЭДС может возникнуть лишь в том случае, если проводник находится в изменяющемся магнит­ном поле независимо от причины возникновения его.

Обратите внимание на закон Ленца об определении на­правления индуктированного тока, который дает возможность понять физическую сущность ряда довольно сложных явле­ний (направление ЭДС самоиндукции, вихревых токов и др.). Возникающая в цепи ЭДС самоиндукции всегда вызы­вает уменьшение скорости изменения тока, что равносильно внесению в цепь какого-то дополнительного сопротивления.

Помните, что индуктивностью обладает любой провод­ник. Понятия индуктивности для прямого проводника и ка­тушки одинаковы, и разница между ними лишь количествен­ная. При одинаковой длине прямого провода и катушки ин­дуктивность последней всегда будет больше.

Вихревые токи могут полезно использоваться (высоко­частотная закалка металла, сушка древесины и т. д.), но в электрических машинах они, как правило, вызывают допол­нительные потери, которые иногда достигают значительной величины. Поэтому принимают меры для уменьшения по­терь (расслоение сердечников, применение специального сор­та стали для сердечников). Нарушение изоляции между от­дельными слоями сердечников вызывает резкое возрастание потерь на вихревые токи.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое магнитное поле? Каковы его основные свой­ства?

2. Что называется магнитной индукцией? В каких еди­ницах она измеряется? Закон Био-Савара.

3. Как графически изображают магнитное поле? Направ­ление вектора магнитной индукции.

4. Как рассчитывают магнитное поле кольцевой и ци­линдрической катушек?

5. Какова формула для определения электромагнитной силы, действующей на проводник с током в магнитном поле? Правило левой руки.

6. Что такое магнитный поток и потокосцепление? В ка­ких единицах они измеряются?

7. Чему равна работа электромагнитных сил при переме­щении в магнитном поле контура с током?

8. Что называется магнитной проницаемостью?

9. Что такое циркуляция вектора напряженности маг­нитного поля по замкнутому контуру?

10. Что называется полным током сквозь поверхность, ог­раниченную замкнутым контуром?

11. Какая формула связывает циркуляцию вектора на­пряженности магнитного поля с полным током?

12. Как происходит процесс намагничивания тела? На­чертите кривую намагничивания.

13. Начертите петлю гистерезиса, объясните характерные точки на ней.

14. В чем заключается явление электромагнитной индук­ции? Сформулируйте закон электромагнитной индукции.

15. Как определить направление ЭДС электромагнитной индукции, наводимой в прямолинейном проводнике? Сфор­мулируйте закон Ленца.

16. Объясните принцип преобразования механической энер­гии в электрическую и обратно.

17. Что называется ЭДС самоиндукции? Как определяется ее направление?

18. Что называется ЭДС взаимоиндукции? Как определяется ее направление? 19. Причины возникновения вихревых токов, их свойства, применение и способы уменьшения.