Лекция №4. Магнитные цепи

1. Основные величины, характеризующие магнитное поле:

1.1. Вектор магнитной индукции характеризует силу и направление магнитного поля в любой его точке. Вектор магнитной индукции направлен по касательной к силовой линии. Обозначается , единица измерения – тесла (Тл) или вебер на квадратный метр (вб/м²). Величину магнитной индукции можно определить по закону Био-Савара-Лапласа.

В векторном виде ,

где – вектор, по модулю равный длине элемента длины проводника и совпадающий по направлению с током, – радиус-вектор, проведенный из элемента проводника в точку А поля, r – модуль радиуса-вектора .

Модуль вектора , то есть его численное значение, определяется по формуле:

,

где α – угол между векторами и .

Если магнитная индукция во всех точках поля имеет одинаковую величину и направление, то такое поле называют равномерным или однородным.

1.2. Магнитный поток

Слайд № 6

1.3. Напряженность магнитного поля

При исследовании магнитных полей и расчете магнитных устройств пользуются также расчетной величиной – напряженностью магнитного поля Н. Обозначается Н, единица измерения Ампер на метр (A/м). Напряженность магнитного поля – векторная величина.

Напряженность магнитного поля связана с магнитной индукцией соотношением:

В = μ μ₀Н, Н =

где μ₀= 4π∙10^–7– абсолютная магнитная проницаемость, или магнитная постоянная (Гн/м), величина, характеризующая магнитные свойства вакуума;

μ –относительная магнитная проницаемость вещества, или просто магнитная проницаемость, величина безразмерная.

В векторном виде:

2. Свойства ферромагнитных материалов

Все вещества по величине относительной магнитной проницаемости делятся на три группы:

1) диамагнетики – μ < 1 (висмут, вода, медь, золото, ртуть, практически все органические соединения);

2) парамагнетики – μ > 1 (кислород, алюминий, платина, уран, щелочные и щелочноземельные элементы);

3) ферромагнетики – μ >> 1 (железо, кобальт, никель и их сплавы). Так, например, для трансформаторного железа (это сталь с высоким содержанием кремния, который придает ей особые магнитные свойства) μ ≈ 5000, для пермаллоя (сплав, состоящий из железа и никеля, из него делают сердечники реле, экраны) μ ≈ 100000, для серого чугуна (сплав железа с углеродом, применяется для изготовления корпусов электрооборудования) μ ≈ 180.

Рассмотрим некоторые свойства ферромагнетиков. Расписать свойства

	1. Нелинейная зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля Н
	2. Зависимость относительной магнитной проницаемости от Н имеет сложный характер, причем максимальные значения μ очень велики
3. У каждого ферромагнетика имеется такая температура, называемая точкой Кюри, выше которой это вещество теряет свои особые магнитные свойства
	4. Существование магнитного гистерезиса

5. Магнитострикция – изменение формы и размеров тела при его намагничивании

Главная особенность ферромагнетиков – их доменное строение.

Домен – это область, намагниченная до насыщения, то есть такая область, в пределах которой все атомы выстроены параллельно своими магнитными моментами. Размеры доменов порядка 0,01 мм, их можно видеть в обычном микроскопе.

Зависимость В = f(Н) определяет значение магнитной индукции, которая будет создаваться в магнитопроводе из данного ферромагнитного материала при воздействии конкретной напряженности поля.

График этой зависимости называется основная кривая намагничивания.

Если же перемагничивать данный материал в периодическом магнитном поле, то зависимость В= f(Н) имеет вид петли, которая называется петлей гистерезиса (гистерезис означает отставание, запаздывание).

На следующем слайде видна ориентация доменных областей при разных значениях напряженности и индукции магнитного поля.

Рассмотрим полученную петлю гистерезиса.

Отрезок, отсекаемый петлей гистерезиса на оси В (ординат), определяет остаточную индукцию В_ост и – В_ост (точки 2 и 5), а отрезок, отсекаемый на оси Н, определяет коэрцитивную (задерживающую) силу Н_с и – Н_с (точки 3 и 6).

Если процесс перемагничивания повторять при разных значениях Н, то можно получить семейство петель магнитного гистерезиса.

В случае, когда Н равно некоторому максимальному значению Н=Н_S, площадь петли практически не увеличивается, и магнитная индукция равна максимальному значению В=В_S, наступает насыщение материала. Наибольшая по площади петля называется предельной петлей гистерезиса.

По свойствам петли гистерезиса ферромагнитные материалы подразделяют на магнитомягкие и магнитотвердые.

Петля показывает, что намагничивание и размагничивание стали не совсем обратимые процессы. Часть энергии задерживается в стали. Эта энергия пропорциональна площади петли гистерезисного цикла. Задержанная энергия идет на бесполезное, и даже вредное нагревание сердечника и магнитопровода в целом. Создаются потери энергии, которые называются потерями на гистерезис и перемагничивание. Потери электрической энергии на перемагничивание для магнитомягких материалов ниже, чем для магнитотвердых, так как потери прямо пропорциональны площади петли гистерезиса. Поэтому магнитопроводы электрических машин, трансформаторов делают из специальных электротехнических сортов стали.