Электромагнетизм

Электромагнетизм.

Магнитное поле электрического поля.

Магнитное поле, как и электрическое поле, является общим из видов материи. Оно возникает, например, при движении электрически заряженных частиц вещества и вокруг проводников с током. Магнитное поле обладает энергией, которая называется энергией магнитного поля. Поэтому, если в магнитное поле, окружающее провод с электрическим током, внести другой провод с током, то последний испытывает действие силы магнитного поля. В свою очередь, магнитное поле второго провода с током действует на первый. Под действием сил поля провод с током может перемещаться; в этом случае производится работа за счет энергии магнитного поля.

Электрический ток в проводе и магнитное поле вокруг него – неразрывно связанные явления.

Магнитная проницаемость.

Для того, чтобы получить представление о магнитных свойствах среды, нужно сравнить магнитное поле вокруг повода с током в данной среде с магнитным полем вокруг того же провода, но находящегося в вакууме. Материалы или среды, в которых поле получается сильнее, чем в вакууме, называется – парамагнитными, а в которых слабее – диамагнитными.

Магнитные свойства среды характеризует абсолютная магнитная проницаемость , имеющая различную величину для разных веществ.

Абсолютная магнитная проницаемость вакуума называется магнитной постоянной .

Отношение абсолютной магнитной проницаемости какого – либо вещества к магнитной постоянной называется магнитной проницаемостью вещества.

Для диамагнитных веществ <1 (медь ), для парамагнитных >1 (воздух ).

Особую группу составляют так называемые ферромагнитные материалы. Магнитная проницаемость этих материалов может достигать десятки тысяч (железо, кобальт).

Напряженность магнитного поля.

Напряженность магнитного поля (Н) в однородной среде не зависит от магнитных свойств вещества, в котором создается поле, но учитывает влияние величины тока и формы проводников на интенсивность магнитного поля в данной точке.

Напряженность магнитного поля – векторная величина.

Магнитный момент. Намагниченность.

В каждом атоме электроны движутся вокруг центрального ядра, т.е. возникает элементарный электрический ток.

Векторная величина, равная произведению тока i и элементарной площади S, ограниченной элементарным контуром с током, и направленная перпендикулярно к этой площадке согласно правилу Буравчика, называется магнитным моментом элементарного электрического тока.

Геометрическая сумма магнитных моментов всех элементарных электрических токов в теле, дает магнитный момент тела М,

т.е. М=m₁+m₂+m₃+…

величина, измеряемая отношением магнитного момента тела к его объему (V), называется намагниченностью тела Y.

Вихревые токи.

Магнит не оказывает почти никакого действия на кусок меди, если последний неподвижен.

Однако, если магнит и медь движутся друг относительно друга или если магнитное поле в меди возрастает или убывает со временем, то возникает взаимодействие. Изменяющееся магнитное поле или движение проводника через поле приводит к возникновению ЭДС, создающей ток. Индукционные токи взаимодействуют с магнитным полем, в результате чего на проводник действует сила. Часто эти токи закручиваются в проводнике вдоль передней и задней границ области движущегося магнитного поля. Из-за их сходства с водоворотными, возникающими вокруг движущегося в воде тела, эти индукционные токи называют вихревыми токами. В некоторых электрических машинах они только мешают, вызывая нагрев стали и тем самым снижая КПД, в других они положены в основу принципа действия этих машин.

Для уменьшения вихревых токов применяются сердечники, выполненные из отдельных изолированных друг от друга листов, стали. В этом случае увеличивается сопротивление сердечника для вихревых токов и сами токи уменьшаются.

Уменьшение площади контуров, охватываемых вихревыми токами, приводит к уменьшению вихревых токов.

В практической электротехнике ферромагнитные материалы >>1 имеют очень важное значение. Стальные сердечники имеют промышленные электрические машины (генераторы, двигатели), электромагниты, трансформаторы, реле, многие измерительные приборы и другие устройства. Такие сердечники применяются во всех случаях, когда необходимо при относительно небольших токах получить сильное магнитное поле.

Если в магнитное поле внести ферромагнитный материал, то магнитная индукция поля значительно возрастает. Принято говорить, что в этом случае ферромагнитный материал «намагничивается». Сущность процесса заключается в следующем: при отсутствии внешнего магнитного поля в ферромагнитном теле элементарные магнитные моменты направлены самым различным образом и компенсируют друг друга, т.е. суммарный магнитный момент тела равен нулю.

Магнитная цепь

Магнитной цепью называется устройство, в котором замыкается магнитный поток.

Неразветвленная Разветвленная магнитная

магнитная цепь цепь

При расчетах магнитных цепей обычно используются правилом Кирхгофа для магнитной цепи:

Алгебраическая сумма магнитных потоков в точке разветвления равна нулю

Для создания большого потока нужно магнитную цепь выполнять с наименьшим магнитным сопротивлением, поэтому во всех электрических машинах магнитная цепь выполняется таким образом, чтобы поток замыкался главным образом по стали, а воздушные зазоры были достаточно малыми.

Электромагнитная сила

На провод стоком, помещенным в магнитное поле, действует сила, получившая название электромагнитной силы.

Величина этой силы определяется по уравнению:

(для прямолинейного провода)

(для провода произвольной формы)

где l – длина проводника

В – магнитная индукция

I – сила тока

- угол между направлением тока и направлением магнитных линий

Для определения направления силы, с которой поле действует на провод, пользуются правилом «левой руки»:

Если ладонь левой руки повернуть так, чтобы вектор магнитной индукции входил в нее, а четыре вытянутых пальца совпадали с направлением тока в проводе, то отогнутый большой палец укажет направление силы, действующей на провод.

Правило левой руки

Электромагнитная индукция

В проводе, который, двигаясь в магнитном поле, пересекает магнитные линии, возбуждается ЭДС (М. Фарадей, 1831 г.).

ЭДС электромагнитной индукции пропорционально магнитной индукции поля, длине провода и скорости его движения:

Направление ЭДС в этом случае определяют по правилу «правой руки»:

Ладонь правой руки располагается так, чтобы магнитные линии входили в нее, отставленный большой палец направляется вдоль вектора скорости, тогда остальные четыре пальца покажут направление индуктированной ЭДС.

Если концы провода, перемещающегося в магнитном поле, замкнуты другим проводом, расположенным вне магнитного поля, то в этой электрической цепи под действием ЭДС электромагнитной индукции возникает непрерывное перемещение электронов, т.е. электрический ток.

Преобразование механической энергии в электрическую

При движении замкнутого проводника в магнитном поле под действием внешних сил происходит преобразование механической энергии в электрическую.

Электромагнитная сила, действующая на провод с током .

Т.к. сила F направлена противоположно вектору скорости, то для движения провода нужно приложить внешнюю силу.

Двигатель, создающий внешнюю силу, должен развить механическую мощность:

Подставив выражения силы F, получим:

Т.е. развиваемая двигателем мощность равна мощности электрического тока в замкнутой цепи.

Преобразование электрической энергии в механическую

В результате действия магнитного поля на провод с током происходит преобразование электрической энергии в механическую.

Пусть по прямолинейному проводу, расположенному в однородном магнитном поле и включенном в цепь с ЭДС Е, проходит не изменяющийся ток.

Тогда магнитное поле действует на провод с током с силой и провод движется под действием силы со скоростью v (направление силы и скорости определяется по правилу «левой руки»).

При движении провода в нем возникает ЭДС электромагнитной индукции, направленная навстречу тока,

По второму правилу Кирхгофа для контура:

где – сопротивление прямолинейного провода,

– сопротивление остальной части цепи.