Основные величины, характеризующие магнитное поле

Электрический ток связан с магнитным полем. Основными величинами, характеризующими магнитное поле, являются: магнитный поток, магнитная индукция и напряженность магнитного поля.

В качестве силовой характеристики магнитного поля вводится векторная величина В, называемая индукцией магнитного поля или просто индукцией. Модуль вектора индукции магнитного поля равен отношению магнитной силы F, направленной вдоль радиуса-вектора, соединяющего точечные заряды, к произведению зарядаQ на его скорость v при условии, что заряд движется перпендикулярно вектору индукции:

B =F/(Qv)

Единица индукции магнитного поля – Тесла (Тл): 1 Тл - это индукция поля, которое действует на заряд 1 Кл, движущийся со скоростью 1 м/с перпендикулярно вектору индукции, с поперечной силой 1 Н. Напряженностью Н магнитного поля называют величину:

Другой важной характеристикой магнитного поля является величина, называемая магнитным потоком.

Ф = ВS

Единицу магнитного потока – вебер (Вб): 1 Вб - магнитный поток, пронизывающий поверхность площадью 1 метр кв., расположенную перпендикулярно силовым линиям однородного магнитного поля с индукцией 1 Тл. Напряженность магнитного поля связана с магнитной индукцией соотношением

Магнитная проницаемость вещества    Относительная магнитная проницаемость

Магнитная проницаемость в вакууме 

Магнитная проницаемость - безразмерная величина. Таким образом, каждое данное вещество может характеризоваться присущей ему магнитной проницаемостью, так же как диэлектрик - диэлектрической проницаемостью. Все тела, помещаемые в магнитное поле, изменяют его индукцию. В 50-х годах прошлого столетия Фарадей обнаружил, что все тела обладают магнитными свойствами, но степень и характер их взаимодействия с полем у различных веществ различны. В связи с этим различают вещества с парамагнитными, диамагнитными и ферромагнитными свойствами.

 диамагнетики   (висмут, вода, водород, медь, стекло);

· парамагнетики   (кислород, платина, вольфрам, алюминий);

· ферромагнетики   (железо, кобальт, чугун, никель).

У диамагнетиков, как и у парамагнетиков, зависимость В(Н) (кривая намагничивания рис.11.1) является линейной, отличие только в угле наклона графика.

Рис.11.1. Кривая намагничивания

 

Кривая намагничивания показывает связь между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля. У ферромагнетиков эта связь существенно нелинейная. Индукция поля в намагниченном ферромагнетике сначала быстро нарастает с ростом напряженности внешнего магнитного поля. Затем рост индукции поля замедляется. В стали потери на перемагничивание пропорциональны площади, ограниченной кривой намагничивания.

Материалы с большой площадью кривой намагничивания называются магнитотвердыми, с малой площадью кривой намагничивания - магнитомягкими, например, электротехническая сталь. Важное отличие ферромагнетиков также заключается в том, что если пара- или диамагнитные свойства вещества проявляются у газов и жидкостей, то ферромагнитные свойства наблюдают только у кристаллов.

Рис.11.2. Петля гистерезиса

 

Характерным свойством ферромагнетиков является гистерезис (рис.11.2). Явление заключается в том, что индукция ферромагнетика  В  зависит не только от напряженности намагничивающего поля в данный момент, но и от предварительного намагничивания образца. Поэтому вообще нельзя указать, какая индукция ферромагнетика соответствует данному значению напряженности намагничивающего поля, если неизвестно, в каком состоянии он до этого находился. То же, естественно, относится к значениям магнитной проницаемости. Участок ОС кривой на графике характеризует ход первоначальной намагниченности, т. е. случая, когда ферромагнетик был сначала нагрет выше точки Кюри и тем самым полностью размагничен, а затем охлажден и подвергнут намагничиванию. Совершенно иной вид будет иметь кривая намагничивания, если ферромагнетик был уже ранее намагничен. Изготовим сердечник в форме тороида из размагниченного ферромагнетика и обмотаем его равномерно проводником. Меняя силу тока в обмотке, мы тем самым меняем напряженность намагничивающего поля. Пусть напряженность поля возрастет до значения Hs. Этому значению поля соответствует индукция насыщения, равная Bs. Будем уменьшать силу тока в обмотке, уменьшая тем самым напряженность намагничивающего поля. Мы убедимся, что индукция сердечника в процессе размагничивания остается все время большей, чем в процессе намагничивания. Когда сила тока в обмотке станет равной нулю, исчезнет и намагничивающее поле. Но индукция ферромагнетика не обратится в нуль - сердечник сохранит некоторую остаточную индукцию Вr. И только в том случае, когда по обмотке будет пропущен ток обратного направления и возникнет поле с напряженностью - Нc, индукция сердечника обратится в нуль. Напряженность размагничивающего поля Нc называют коэрцитивной силой. Если увеличивать в обмотке силу тока обратного направления, то индукция магнитного поля в сердечнике будет возрастать тоже в противоположном направлении до насыщения.

Магнитной цепью называется часть электротехнического устройства, предназначенная для создания в его рабочем объеме магнитного поля заданной величины и конфигурации. Магнитная цепь электрических реле, трансформаторов, электрических машин состоит из источников, возбуждающих магнитное поле, и магнитопровода, в котором магнитный поток концентрируется и практически весь замыкается. При расчете магнитной цепи может быть поставлена задача определения намагничивающей силы (н.с.) при заданном магнитном потоке или индукции - это прямая задача. Обратная задача - определить магнитный поток по намагничивающей силе. В обеих задачах должны быть известны размеры участков магнитной цепи и кривая намагничивания материала. Расчет магнитной цепи производится на основании первого закона Кирхгофа, по которому алгебраическая сумма магнитных потоков в узле магнитной цепи равна 0:

и второго закона Кирхгофа для магнитной цепи или закона полного тока

Циркуляция вектора напряженности магнитного поля Н по замкнутому контуру равна алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром. Если контур интегрирования охватывает W витков, то  - намагничивающая сила или магнитодвижущая сила (МДС), измеряется в ампер-витках (ав).

В общем случае

.Закон Ома для участка магнитной цепи длиной l_ср площадью S.

При напряжении U_м между концами участка связь между напряженностью магнитного поля Н и индукцией  В  выражается формулой:

 

В этом выражении Ф аналогичен току электрической цепи, а магнитное напряжение - электрическому напряжению.

Тогда магнитное сопротивление

Магнитное сопротивление определяется воздушным зазором. При наличии воздушного зазора для создания соответствующей индукции требуется большой ток. При отсутствии воздушного зазора для создания соответствующей индукции требуется небольшой ток. Нелинейность кривой намагничивания обусловливает нелинейность индуктивного сопротивления катушки на магнитном сердечнике. Катушки индуктивности на ферромагнитном магнитопроводе считаются нелинейными элементами как в цепи постоянного тока, так и при синусоидальном напряжении. Для электрических цепей с нелинейным индуктивным и линейным емкостным сопротивлениями характерны явления феррорезонанса. При последовательном соединении различают феррорезонанс напряжений, а при параллельном - феррорезонанс токов. Для изменения индуктивного сопротивления катушки с ферромагнитным сердечником используют подмагничивание сердечника дополнительной катушкой, питаемой постоянным током. В этом случае она называется дросселем насыщения и используется для регулирования скорости вращения двигателей, регулирования освещения, а также в выпрямительных установках с регулируемым напряжением.

Ярко выраженные магнитные свойства ферромагнитных материалов объясняется наличием в них самопроизвольно намагниченных очень малых областей (доменов), которые для упрощения можно рассматривать как элементарные магнитики. В обычных условиях при отсутствии внешнего магнитного поля в ферромагнитном материале в целом не обнаруживаются магнитные свойства, так как магнитные поля элементарных магнетиков (доменов) имеют различные направления, и их результирующее магнитное поле равно нулю.

Если кусок ферромагнитного материала поместить во внешнее магнитное поле. например, катушку с током, то под действием внешнего поля элементарные магнитики (домены) поворачиваются в направлении внешнего поля, тем самым усиливая его, и магнитная индукция В возрастает. Но при этом, если внешнее магнитное поле слабо (его напряженность незначительна), поворачивается только часть доменов, магнитные поля которых по своему направлению близки к направлению внешнего поля. По мере усиления внешнего поля количество повернутых доменов увеличивается, и начиная с некоторого значения напряженности Н внешнего поля практически все элементарные магнитики оказываются повернутыми так, что их магнитные поля располагаются по направлению внешнего магнитного поля – наступает так называемое магнитное насыщение.

 Функциональная зависимость магнитной индукции В ферромагнитного материала от напряженности Н намагничивающего (внешнего поля) обычно выражается графиком, который называют кривой намагничивания. Приведенные на рисунке …кривые намагничивания некоторых ферромагнитных материалов показывают, что с увеличением напряженности магнитная индукция В сначала быстро возрастает. Это объясняется тем, что одновременно с увеличением намагничивающего (внешнего) поля появляется и усиливается собственное магнитное поле ферромагнитного материала, которое образуется сориентированными (повернутыми) элементарными магнитиками.

В месте изгиба кривой скорость роста магнитной индукции уменьшается. За изгибом, когда напряженность поля достигает некоторой величины, наступает насыщение и кривая незначительно поднимается, переходя в прямую линию. На этом прямом участке магнитная индукция продолжает увеличиваться, но уже очень медленно и только за счет увеличения напряженности внешнего поля.

Поскольку графическая зависимость В от Н – не прямая линия, значит, отношение   непостоянно, то есть магнитная проницаемость ферромагнитного материала не является постоянной величиной, а зависит от напряженности намагничивающего поля.

Рассмотрим физические процессы, происходящие при циклическом перемагничивании ферромагнитного материала. Для этой цели стержень из ферромагнитного материала поместим внутрь катушки и будем пропускать по ней ток.

С увеличением тока в катушке в соответствии с выражением

 (64)

 Возрастает напряженность намагничивающего поля, а также усиливается магнитная индукция В в сердечнике. На рисунке 11 представлен график, отражающий зависимость магнитной индукции от напряженности намагничивающего поля.

Если первоначально сердечник не был намагничен и тока в витках катушки нет, то

Н = 0 и В = 0 (начало координат). При постепенном увеличении тока и, следовательно, напряженности намагничивающего поля магнитная индукция возрастает в соответствии с кривой Оа первоначального намагничивания.

 Если после того как, как наступило магнитное насыщение (точка а), уменьшить ток и напряженность магнитного поля, то снижается и магнитная индукция. Однако ее уменьшение при размагничивании будет происходить с запаздыванием по отношению к напряженности Н, то есть при соответствующих уменьшениях значения напряженности Н магнитная индукция В будет несколько больше, чем при намагничивании. Кривая абв размагничивания не совпадает с кривой аО первоначального намагничивания. При напряженности, равной нулю, магнитная индукция не равна нулю. А имеет некоторое значение В, получившие название остаточной магнитной индукции или остаточного магнетизма (отрезок Об

Магнитный гистерезис— явление зависимости вектора намагничивания и вектора магнитной индукции в веществе не только от приложенного внешнего поля, но и от истории данного образца. Магнитный гистерезис обычно проявляется в ферромагнетиках—Fe,Co,Ni и сплавах на их основе. Именно магнитным гистерезисом объясняется существование постоянных магнитов.

Теория явления гистерезиса учитывает конкретную магнитную доменную структуру образца и её изменения в ходе намагничивания и перемагничивания. Эти изменения обусловлены смещением доменных границ и ростом одних доменов за счёт других, а также вращением вектора намагниченности в доменах под действием внешнего магнитного поля. При полной ориентации всех доменов в направлении внешнего поля (ферромагнетик становится «однодоменным») достигается состояние насыщения. При выключении внешнего поля происходит некоторое уменьшение намагниченности вследствие теплового движения в кристалле, однако ферромагнетик остается намагниченным, так как при невысоких температурах энергия теплового движения сравнительно невелика и ее недостаточно для полной разориентации доменов.

Эти процессы требуют больших энергетических затрат и являются нелинейными. Кривая размагничивания ферромагнетика не совпадает с кривой намагничивания. Изменение намагниченности ферромагнетика (и индукции поля в нем) запаздывает по отношению к изменению напряженности внешнего поля. Это явление называется гистерезисом.При уменьшении напряженности внешнего поля до нуля, индукция поля в магнетике не равна нулю, ее величина называетсяостаточной индукциейВ_о. Чтобы полностью размагнитить магнетик, надо изменить направление внешнего поля на противоположное, и увеличивать его. При некотором значении напряженности «обратного» поля Н_с, называемомкоэрцитивной силой,магнетик полностью размагничивается. Замкнутая кривая, отражающая процесс перемагничивания ферромагнетиков, называет ся петлей гистерезиса.

Р ис.1. Петля гистерезисаНа данном графике точки В и С характеризуют состояние насыщения. Величина остаточной индукции характеризуется отрезком B₀.

Коэрцитивная сила определяется точкой пересечения петли гистерезиса с осью напряженности магнитного поля. По величине коэрцитивной силы ферромагнетики разделяются на мягкие и жесткие магнитные материалы.

Жесткие ферромагнетики используются для постоянных магнитов, они имеют большую остаточную намагниченность и широкую петлю гистерезиса.

.

Мягкие ферромагнетики применяются в приборах и установках, работающих с переменными электромагнитными полями, где требуется частое перемагничивание при минимальных энергетических потерях (например, в сердечниках трансформаторов). Для них характерна небольшая остаточная намагниченность и узкая петля гистерезиса.

).

 На использовании явления остаточного магнетизма основано действие всех постоянных магнитов, которые изготовляют из материалов, обладающих большим остаточным магнетизмом (специальные сорта твердых сталей – вольфрамовой, хлористой, кобальтовой и др

 

Для того, чтобы полностью размагнитить сердечник. Необходимо изменить направление намагничивающего поля и намагнитить сердечник в обратном направлении, то есть перемагнитить его, изменяя направление тока в катушке и постепенно увеличивая его силу. При некотором значении напряженности поля сердечник полностью размагнитится.

Значение Н_с напряженности поля обратного направления, при котором произойдет полное размагничивание сердечника, называют коэрцитивной силой (или задерживающей силой).

При дальнейшем увеличении напряженности обратного поля магнитная индукция возрастает и достигает максимального значения в точке г, соответствующей магнитному насыщению. Затем с уменьшением напряженности поля до нуля магнитная индукция снижается и становится равной, но противоположно направленной остаточной индукции В_r, (отрезок Од). Наконец, при следующем изменении направления напряженности поля и ее увеличении магнитная индукция сначала уменьшается до нуля, а затем увеличивается, пока не наступит насыщение. Полученная замкнутая кривая, выражающая зависимость В = f(Н), называется петлей гистерезиса.