3.5.2 Постоянные магниты

Возможность иметь в ферромагнитных веществах остаточное намагничение позволяет осуществить постоянные магниты, т. е. такие тела, которые без поддержания в них электрического тока за счет каких-либо внешних источников возбуждают в окружающем пространстве магнитное поле. Постоянные магниты готовятся из ферромагнетиков с большим остаточным намагничением и большой коэрцитивной силой.

Поле прямого магнита имеет сходство с полем соленоида (рисунок - 3.42). Линии напряженности нам кажутся выходящими из одного конца магнита, называемого северным, и входящими в его другой конец (южный). Разница между магнитом и соленоидом заключается лишь в том, что в случае соленоида мы можем проследить ход линий напряженности и внутри самого соленоида и убедиться, что каждая линия образует замкнутую кривую. В случае постоянного магнита мы не можем непосредственно установить ход линий напряженности внутри тела магнита.

Рисунок - 3.42

Поле постоянного магнита в отличие от поля соленоида или тока вообще является не вихревым, а потенциальным, подобным электростатическому полю электрического заряда. Циркуляция вектора напряженности магнитного поля постоянного магнита равна нулю, как и циркуляция вектора напряженности кулоновского электростатического поля. Силовые линии внутри постоянного магнита направлены, так же как и вне его, от северного полюса к южному (рисунок - 3.43). Поле постоянного магнита представляет собой поле диполя.

Любой ферромагнетик, будучи помещен в магнитное поле, намагничивается в той или иной степени и становится магнитом с двумя полюсами. Если магнитное поле создано током, например током в соленоиде, то оно является вихревым, намагниченные этим полем ферромагнетики создают поле, которое можно считать потенциальным, поэтому результирующее поле носит смешанный характер. На рисунке - 343, а, б, в показаны поля постоянного магнита, соленоида и соленоида с ферромагнитным сердечником.

Качество материала для постоянного магнита определяется его остаточной индукцией я коэрцитивной силой. Так как постоянные магниты всегда используются для создания внешнего магнитного поля, они не могут быть замкнутыми, поэтому в них существует размагничивающее поле, уменьшающее остаточную индукцию.

Наилучшими материалами для постоянных магнитов являются такие, у которых спинка петли гистерезиса имеет форму, близкую к прямоугольной. Большая коэрцитивная сила необходима для того, чтобы магнит был устойчив к случайным внешним магнитным полям. Для повышения устойчивости магнита его подвергают так называемому старению, которое заключается в том, что магнит подвергается воздействию переменного магнитного поля небольшой частоты и амплитуды или нагреванию до 100° С. При этом его остаточная индукция B_d несколько уменьшается, но в дальнейшем она почти не меняется.

Рисунок - 3.43

Среда, магнит, токи находятся в сложном взаимодействии между собой.

а) Взаимодействие магнитных полюсов. Возьмем два постоянных магнита; допустим, что длина каждого из них так велика, что можно пренебречь действием второго полюса и рассматривать взаимодействие этих магнитов как взаимодействие уединенных магнитных полюсов. Взаимодействие таких полюсов, при помещении магнитов в среду с магнитной проницаемостью μ, уменьшается в μ раз.

б) Взаимодействие токов. Оно определяется формулой Ампера. Сила взаимодействия зависит от магнитной проницаемости среды, увеличиваясь при помещении токов в сплошной однородный магнетик в μ раз.

в) Действие тока на магнит. Рассмотрим действие тока на магнит, которые находятся в магнитной среде с проницаемостью μ. Действие тока на магнит определяется полем тока В, которое от среды не зависит, и полем В′ которое создается магнитной средой внутри магнита. Если магнит намагничен до насыщения, то внутри его проницаемость μ. стремится к единице. Если при этом магнит длинный и ориентирован по полю, то ввиду отсутствия в этом случае собственного размагничивающего поля напряженность поля внутри магнита будет такая же, как и в вакууме, следовательно, действие тока на магнит в данном случае не зависит от среды. Если магнит не бесконечной длины, то в нем существует размагничивающее поле В₀, и тогда поле в нем не равно полю в вакууме и действие тока на такой магнит будет сложным образом зависеть от формы магнита. То же будет и в том случае, когда магнит намагничен не до насыщения. Проницаемость вещества магнита больше единицы, поэтому внутреннее поле В′ определяется магнитными свойствами как среды, так и самого магнита; простого общего закона взаимодействия в этом случае дать нельзя.

г) Действие магнита на ток. В вакууме это действие определяется формулой F = IBl sin a, так как μ = 1; при заполнении пространства однородным магнетиком индукция В увеличивается в μ раз, но напряженность поля, созданного полюсом постоянного магнита, уменьшается в μ раз, следовательно, сила действия магнита на ток останется неизменной: действие магнита на ток не зависит от среды.

Возможности магнетиков, явления связанные с ними, имеют широкое применение в науке и технике. Наиболее распространенными такими устройствами, являются моторы и генераторы различных конструкций.

Генераторы представляют собой машины, служащие.для получения токов путем использования явления электромагнитной индукции. Простейшей такой машиной переменного тока является рамка, образованная одним витком провода, вращающаяся в поле постоянного магнита. На практике пользуются, конечно, не одной рамкой, а значительным числом витков провода, намотанных на барабан (ротор). В технике также употребляются машины с неподвижными обмотками и электромагнитами вместо постоянных магнитов. Схема такой машины представлена на рисунке - 3.44. Катушки, в которых индуцируется ток, намотаны на выступы А₁, A₂, A₃, железного сердечника. Сердечник намагничивается током, текущим по обмоткам C₁, C₂, С₃, от небольшого постороннего источника тока В. Вращающаяся часть машины (ротор) имеет вид кольца с зубцами D_1, D₂, D₃ При вращении ротора зубцы перемещаются относительно выступов А₁, A₂, A₃, и таким образом то более, то менее замыкают магнитную цепь между соседними выступами. В результате меняется поток магнитной индукции через катушки, намотанные на выступы А₁, A₂, и в них индуцируется ток.

Наряду с указанными генераторами переменного тока возможно построение генераторов постоянного тока. Если концы вращающейся рамки соединить с двумя изолированными друг от друга полукольцами (коллектором) (рисунок - 3.45), то щетки а и в будут попеременно касаться то одного, то другого полукольца, и во внешней цепи потечет ток все время в одном направлении, лишь меняющий свою силу. Употребляя вместо одной рамки систему обмоток, концы которых присоединены к отдельным секциям сложного коллектора, можно получить постоянный ток, сила которого лишь слегка пульсировать со временем. Магнитное поле во всех сколько-нибудь значительных по размеру генераторе постоянного тока создается электромагнитом, причем обычно используется так называемый принцип самовозбуждения, сводящийся к тому, что электромагнит питается током, возбуждаемым в самой генераторе.

Рисунок - 3.44	Рисунок - 3.45

Современные генераторы и электромоторы представляют собой машины с весьма высоким к. п. д., достигающим для больших машин 95°/₀. Неизбежные вредные потери на трение, джоулево тепло, токи Фуко и гистерезис удается снизить до 5%.

Для многих технических и лабораторных целей бывает необходимо иметь более высокие э. д. с, чтобы передавать электрическую энергию на дальние расстояния.

В случае переменного тока повышение э. д.с. (или, как говорят в технике, „напряжения") легко осуществляется с помощью повышающих трансформаторов. Трансформатор в простейшем виде (рисунок - 3.46) состоит из двух обмоток, намотанных на общий замкнутый железный сердечник. Первичная обмотка А₁ состоит из небольшого числа витков толстого провода, вторичная обмотка А₂,— из большого числа витков более тонкого провода. Первичный ток, проходящий через обмотку I₁, создает переменный поток магнитной индукции Ф₁, который целиком сосредоточен лишь внутри сердечника и, следовательно, практически полностью пронизывает витки вторичной обмотки.

При разомкнутой вторичной обмотке первичная обмотка является частью цепи с некоторым омическим и индуктивным сопротивлением. Если считать омическое сопротивление столь малым, что его ролью можно пренебречь, то э д. с. ε_i действующая в первичной обмотке, численно равна и противоположна по знаку возникающей в ней э. д. с. самоиндукции ε_si :ε₁ = - ε_si. В каждом витке первичной обмотки возникает э. д. с. самоиндукции, равная — - dФ/dt, откуда ε_si = - N₁ dФ/dt, где N₁— число витков первичной обмотки. Отсюда для э. д. с. ε₁, действующей в первичной обмотке, получаем:

ε1 = N1 dФ/dt

(3.116).

Так как тот же поток Ф пронизывает вторичную обмотку, то в каждом ее витке возникает э. д. с. индукции — dФ/dt , всего во вторичной обмотке возникает э. д. с. ε₂: ε₂ = N₂ dФ/dt, где N₂ — число витков во вторичной обмотке. Сравнивая выражения два последних выражения, получим, что э. д. с. индукции, возникающая во вторичной обмотке, равна:

ε2 = -(N2/N1) ε1

(3.117).

Таким образом, трансформатор повышает э. д. с. в отношении числа витков вторичной обмотки к числу витков в первичной обмотке. Знак минус указывает, что э. д. с. в первичной и вторичной обмотках противоположны по фазе.

Обычно у трансформаторов, при разомкнутой вторичной обмотке, коэффициент самоиндукции первичной обмотки велик. Это ведет к большому значению индуктивного сопротивления первичной обмотки. Благодаря этому при разомкнутой вторичной обмотке, ток I_t в первичной обмотке слаб. Значение этого тока носит название холостого тока. При замыкании вторичной цепи в ней индуцируется ток, создающий свое магнитное поле, компенсирующее, по правилу Ленца, магнитное поле первичной обмотки. Это ведет к уменьшению индуктивного сопротивления первичной обмотки и возрастанию тока /₁ Таким образом, мощность потребляемая в первичной цепи, зависит от мощности, которая берется во вторичной цепи.

Вредные потери в трансформаторе идут на выделение ленц-джоулева тепла в обмотках, на утечку линий магнитной индукции, на токи Фуко в сердечнике и на работу перемагничения, обусловленную гистерезисом сердечника. Для уменьшения роли двух последних причин сердечники трансформаторов делают из наиболее мягких сортов железа и притом из отдельных полос листового железа, разделенных изолирующими слоями. В больших современных трансформаторах потери удается снизить до 2% от общей мощности, и, таким образом, их к. п. д. достигает 98%.

Всякий трансформатор, работающий как повышающий, может быть использован и как понижающий трансформатор, для чего нужно первичный ток пускать через более тонкую обмотку с большим числом витков. Тогда в другой обмотке возникает такой ток, что сила тока будет больше, а э. д. с. меньше, чем в первой обмотке. Обычно ток высокого „напряжения", переданный по проводам от станции, у потребителя снова понижается с помощью понижающего трансформатора до более низкого «напряжения».

Кроме указанных технических применений, трансформаторы находят широкое применение в лабораторной технике (как повышающие, так и понижающие). В зависимости от предъявляемых требований, лабораторным трансформаторам придают весьма различную конструкцию. Для получения высоких э. д. с, при небольших мощностях, пользуются так называемой индукционной катушкой. Она состоит из двух цилиндрических соленоидов, надетых на общий железный незамкнутый сердечник (рисунок - 3.47). Первичной обмоткой является обмотка внутреннего соленоида AA_lt делаемая из сравнительно небольшого числа витков толстой проволоки. Вторичной обмоткой служит обмотка внешнего соленоида DD_U делаемая из весьма большого числа витков очень тонкой проволоки. Обычно первичную обмотку питают от источника постоянного тока, например от батареи аккумуляторов В. Для того чтобы первичная обмотка создавала переменное магнитное поле, ток в ней периодически прерывают и замыкают. Замыкание и размыкание производится с помощью автоматического прерывателя.

Рисунок - 3.46	Рисунок - 3.47

Простейшим прерывателем является молоточек, который состоит из пружинки с железной насадкой k (рисунок – 3.47). Когда ток начинает идти по первичной обмотке, сердечник катушки намагничивается и притягивает к себе пружину. В результате цепь размыкается в месте контакта между пружинкой k и штифтом а. Чтобы при разрыве контакта не образовывалась интенсивная искра, между k и а включается конденсатор С. Тогда ток от батареи В, при разрыве цепи, идет на заряжение конденсатора, и искра не образуется. Ток в первичной обмотке, прерываемый молоточком или другим механическим приспособлением, не является синусоидальным переменным током.

Если вторичную обмотку замкнуть накоротко, то в ней пойдет переменный ток несимметричной формы, но количества электричества, переносимые в обоих направлениях, будут одинаковы. Если же во вторичной цепи оставить значительный искровой промежуток, то э. д. с, возникающая при замыкании, может оказаться недостаточной для пробоя. Тогда, искра возникает лишь при размыканиях первичной цепи, и во вторичной цепи будет идти прерывистый ток, но каждый раз одного направления.

Благодаря удобству генерирования и передачи переменные токи получили исключительно широкое техническое применение. Однако для потребления во многих случаях нужен постоянный ток, поэтому современная техника пользуется различными приемами выпрямления переменного тока. Пользуясь трансформатором и двумя выпрямителями, можно произвести эффективное выпрямление переменного тока. На рисунке - 3.48 A₁ представляет собой первичную обмотку трансформатора, включенного в цепь переменного тока, А₂ — его вторичную обмотку. Два выпрямителя 1 и 2 присоединены к концам вторичной обмотки. От средней части вторичной обмотки сделан отвод bа. Тогда в одну половину периода переменного тока работает часть С₁b вторичной обмотки, и ток проходит через выпрямитель 1. Во вторую половину периода работает часть обмотки C₂b, и ток проходит через выпрямитель 2. В участке цепи аb ток идет все время одного направления.

Рисунок - 3.48

Для измерения переменных токов непригодны магнитоэлектрические приборы с подвижной рамкой, так как направление поворота рамки меняется с изменением направления тока. Для измерения переменных токов пригодны электродинамические приборы с двумя катушками и электромагнитные приборы, в которых в катушку втягивается кусок железа. В последних приборах втягиваемый стерженек должен изготов­ляться из сорта железа, обладающего возможно малым гистерезисом. Кроме того, переменные токи могут измеряться с помощью так называемых индукционных (электродинамических) приборов. Принцип действия этих приборов следующий (рисунок - 3.49): переменный ток, сила которого измеряется, проходит по обмотке Ф электромагнита и возбуждает между его полюсами переменное магнитное поле. Подвижная часть прибора D представляет собою пластинку, расположенную, по отношению к этому переменному магнитному полю так, что она лишь частично экранирует ноле. В пластинке возникают индукционные токи Фуко, на которые магнитное поле действует с силами, стремящимися выдвинуть пластинку из пределов поля. В результате пластинка поворачивается и поворачивает соединенную с ней стрелку. Постоянный магнит М служит для успокоения колебания пластинки.

Наконец, переменные токи можно измерять и с помощью магнитоэлектрических приборов с подвижной рамкой, если к ним добавить выпрямители. Для этой цели обычно применяются твердые выпрямители (купроксы). На рисунке - 3.50 представлена схема включения амперметра А в цепь переменного тока с помощью четырех купроксов а, Ь, с, d, обеспечивающих прохождение тока через амперметр А в одном направлении.

Рисунок - 3.49	Рисунок - 3.50

Сопротивление R и самоиндукция L играют роль шунта.