Лекція № 3 (2 год.)

Тема 1.2 Електромагнетизм

МЕТА:  

- навчальна: ознайомити студентів з магнітними властивостями речовин, параметрами магнітного поля, основними законами електромагнетизму, поняттям про магнітне коло;

- розвиваюча: розширити світогляд студентів, поглибити вивчене для систематизації та узагальнення фундаментальних знань щодо основних законів електромагнетизму, поняттям про магнітне коло, розвивати вміння самостійно застосовувати знання до вирішення практичних завдань;

- виховна: виховувати увагу, логічне мислення, впевненість у вирішенні практичних завдань:

ОБЛАДНАННЯ: дошка, схеми

ПЛАН

1 Параметри магнітного поля

2 Магнітні властивості речовин

3 Закони електромагнетизму

4 Поняття про магнітне коло

Зміст лекції

1 Параметри магнітного поля

Навколо провідника зі струмом виникає магнітне поле. Це поле впливає на магнітну стрілку, два провідники взаємодіють один з одним. Силова дія магнітного поля має й інші прояви. За класичною теорією електромагнетизму, джерелами магнітного поля є електричні макро- та мікроструми.

Фарадеєм був запроваджений термін "магнітне поле". Згодом класичну теорію магнітного поля побудував Максвелл, а у XX сторіччі з'явилась квантова теорія магнітного поля.

Магнітне поле, збуджене електричним струмом, зображують у вигляді магнітних силових ліній і характеризують у кожній точці простору вектором магнітної індукції В (рис. 1.17). Цей вектор збігається з відповідною дотичною до лінії поля. Напрямок цього вектора визначають за правилом правоходового гвинта, поступальний рух якого суміщають із напрямком електричного струму І. Тоді напрямок обертального руху гвинта співпаде з напрямком вектора магнітної індукції В.

Рисунок 1.17 - Магнітне поле, збуджене електричним струмом

Величина та напрям магнітного поля характеризуються його напруженістю Н. Магнітне поле змінює стан середовища. Стан середовища, що змінився під впливом магнітного поля, характеризується магнітною індукцією В.

Магнітна індукція В та напруженість Н зв'язані співвідношеннями:

В/Н = µ_о; µ = µ_а/ µ_о,

де μ_а — абсолютна магнітна проникність;

μ— відносна магнітна проникність;

μ₀ - магнітна стала.

Разом із вектором магнітної індукції, котрий характеризує інтенсивність і напрямок дії магнітного поля, користуються скалярною величиною магнітним потоком Ф, або потоком вектора магнітної індукції В через деяку поверхню.

Φ = B · S · cos α; Ф = ∫BdS,

де В – модуль вектора магнітної індукції;

S – площа, обмежена контуром;

cos α – кут між векторами магнітної індукції і нормалі до поверхні.

2 Магнітні властивості речовин

За магнітними властивостями середовище буває:

- феромагнітним (μ » 1);

- парамагнітним (μ > 1);

- діамагнітним (μ < 1).

У більшості атомів діамагнетиків немає власного магнітного моменту, його магнітний момент індукований зовнішнім полем подібно до того, як виникає електричний момент у неполярних діелектриках.

Діамагнітний ефект не залежить від температури, оскільки тепловий рух атомів не порушує орієнтації індукованих струмів усередині атомів. Діамагнітний ефект властивий практично будь-якій речовині.

Діамагнетиками є вода, мармур, деякі метали, наприклад золото, ртуть, мідь, інертні гази.

Молекули парамагнетиків мають відмінні від нуля власні ма­нітні моменти. Якщо магнітного поля немає, то ці моменти розміщені хаотично, тому вектор намагнічення дорівнює нулю. Якщо парамагнетик внести в магнітне поле, то магнітні моменти окремих атомів або молекул орієнтуються за полем, так що власне поле парамагнетика підсилює зовнішнє магнітне поле, тобто зовнішнє магнітне поле підсилюється. Якщо такий ефект існує, то він має велике значення і перевагу над діамагнетизмом .

Тепловий рух атомів і молекул руйнує взаємну орієнтацію магнітних моментів молекул, тому намагніченість парамагнетика залежить від температури і відносна магнітна проникність парамагнетиків спадає із збільшенням температури. Відносна магнітна проникність парамагнетиків, як і діамагнетиків, не залежить від індукції зовнішнього магнітного поля.

Парамагнетиками є лужні метали, кисень, алюміній, платина.

Граничним випадком парамагнетизму є феромагнетизм.

Феромагнетики – речовини, у яких внутрішнє магнітне поле в сотні й тисячі раз перевищує магнітне поле, що викликало його зовнішнє.

Феромагнетики мають намагніченість  у відсутності магнітного поля. Феромагнетизм спостерігається в кристалів перехідних металів Fe, Co, Ni  і в ряду сплавів. Феромагнетизм результат дії обмінних сил

Магнітна проникність феромагнетиків не є сталою, тому використовується крива намагнічування (рис. 1.18).

а) б)

Рисунок 1.18 - Крива намагнічування (крива гістерезису)

Кривою намагнічування називається залежність магнітної індукції від напруженості магнітно­го поля. Типова крива намагнічування має лінійну ділянку та ділянку насичення.

Якщо розглянути процес змінного намагнічування феромагнетику, то можна побудувати петлю гістерезису. Форма та площа петлі залежить від матеріалу осердя. За петлею гістерезису визначаються характеристики феромагнітного матеріалу. Петля гістерезису визначається основними величинами (рис.1.18,б):

а) індукцією насичення (В_п), максимальною індукцією, котру може забезпечити феромагнетик;

б) залишковою індукцією (В_г), котра встановлюється у феромагнетику при вимкненні поля;

в) коерцитивною силою (Н_с), тобто значенням напруженості поля, необхідного для розмагнічування феромагнетику (для встановлення індукції В = 0).

Площа петлі гістерезису пропорційна енергії, що витрачається на перемагнічування матеріалу. Коерцитивна сила характеризує спроможність матеріалу зберігати залишкову намагніченість. За значенням коерцитивної сили феромагнетики поділяються на:

- магнітом'які (Н< 0,01 А/м), з вузькою петлею гістерезису (рис.1.19,а);

- магнітотверді (Н> 20 кА/м), з широкою петлею гістерезису (рис.1.19,б).

Рисунок 1.19 – Петля гістерезису феромагнетиків: а- магнітом'яких; б – магнітотвердих

Магнітом'які феромагнетики мають незначні втрати на перемагнічування матеріалу. Тому вони використовуються для створення змінних магнітних потоків, тобто у магнітних колах із котушками, увімкненими на змінну напругу. Магнітом'які осердя застосовуються у трансформаторах, двигунах та генераторах змінного струму, електромагнітах тощо.

В електротехнічних приладах застосовують холоднокатану електротехнічну сталь (марки 3412...3416), гарячекатану електротехнічну сталь (марки 1211, 1212, 1213, 1311, 1312, 1313, 1411, 1412, 1413,1511, 1512, 1513, 1514) тощо.

Втрати на вихрові струми в осерді залежать від питомого електричного опору матеріалу. Застосування феритів в електротехнічних приладах та пристроях дає змогу зробити осердя суцільними, а не шихтованими. Ферити мають великий питомий електричний опір, їх застосовують у колах підвищеної частоти.

Магнітотверді феромагнетики використовують для створення постійних магнітних потоків. Сталі магніти виготовляють із магнітотвердих матеріалів.

Найпоширенішими є сплави типу ЮНДК (залізо, кобальт, нікель, алюміній) із великою коерцитивною силою.

Магнітні характеристики феромагнетиків погіршуються від механічних ударів і підвищення температури. Сталі магніти при цьому розмагнічуються.