1.2. Магнитные цепи

Магнети́зм – форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля. Наряду с электричеством, магнетизм – одно из проявлений электромагнитного взаимодействия. С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовой частицей, носящей название фотон.

Магнитные поля возникают как вокруг всех намагниченных материалов, так и вокруг проводников с электрическим током (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Магнитное поле прямого проводника (а),

катушки с током (б) и постоянного магнита (в)

Если по проводнику протекает переменный электрический ток, то он создает переменное магнитное поле, которое индуцирует в катушке электродвижущую силу самоиндукции. Это явление называется явлением электромагнитной индукции, открытое Фарадеем в 1931 году. Значение э.д.с. самоиндукции определяется скоростью изменения потокосцепления катушки с магнитным полем

, , (1.24)

где – потокосцепление;Ф – магнитный поток, равный потоку магнитной индукции В через поверхность S, ограниченную контуром витка проводника с током.

Суть явления электромагнитной индукции состоит в сохранении магнитного потока проходящего через контур.Пусть магнитное поле, направленное как показано на рис. 1.7, возрастает, то есть возрастает магнитный поток через контур. Появляющийся в контуре индукционный ток i направлен таким образом, чтобы его собственное магнитное поле (красные стрелки на рис. 1.7) ослабляло внешнее поле B.

Основной силовой характеристикой магнитного поля является его сила, определяемая вектором магнитной индукции B, измеряемым в теслах (Тл) и показывающей с какой силой F магнитное поле действует на электрический заряд q, движущийся со скоростью V

или , (1.25)

или, c какой силой магнитное поле действует на элемент проводника длиной dl с током I находящимся в этом поле

или , (1.26)

где α – угол между векторами и или и .

Выражение (1.25) носит название закона Ампера (1820 г.).

В целом магнитное состояние любой точки изотропной (обладающей во всех направлениях одинаковыми свойствами) среды однозначно характеризуется вектором магнитной индукции В и вектором напряженности магнитного поля Н, совпадающими друг с другом по направлению.

В вакууме модули векторов индукции и напряженности магнитного поля связаны простым соотношением

, , (1.27)

где - магнитная проницаемость вакуума,Гн/м.

Для ферромагнитных материалов зависимость индукции от напряженности магнитного поля B(H) в общем случае нелинейная.

Ферромагнетизм – способность ряда веществ (железа, кобальта, никеля и др., их сплавов, а также соединений марганца и хрома) обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля. Свойства ферромагнетиков во внешнем магнитном поле характеризуются гистерезисными кривыми намагничивания – зависимостями намагниченности J и индукции B от напряженности магнитного поля H (см. рис. 1.8). Эти величины связаны соотношениями

, откуда и .

Под гистерезисом понимается неоднозначность кривой намагничивания при перемагничивании, характерная для ферромагнетиков. Последовательность перемещения рабочей точки по диаграмме B(H) при перемагничивании, если исходной является точка 1 следующая: 1→2→3→4→5→6→1. При этом вводятся понятия:

- точка 1 с координатами ,– индукция насыщения;

- точка 2 с координатами ,– остаточная индукция,– остаточная намагниченность;

- точка 3 с координатами – коэрцитивная сила, т.е. напряженность внешнего магнитного поля, противоположного по знаку полю вызвавшему намагничивание, т.е. когда;

- точка 4 аналогична точке 1, точка 5 – точке 2, а точка 6 – точке 3.

Таким образом, гистерезис приводит к неоднозначности намагниченности J(H) и индукции B(H). При заданной напряженности H индукция В зависит от предистории, т.е. в каких полях ферромагнетик побывал раньше.

Модуль вектора магнитной индукции (индукция магнитного поля) создаваемого прямым бесконечно длинным проводником длиной L с током I в точке пространства (в вакууме) на расстоянии r определяется законом Био-Савара (1820 г.)

. (1.28)

В среде отличной от вакуума, магнитное поле, созданное токами проводников или контуров, усиливается на величину собственного поля намагниченной среды

. (1.29)

Магнитной цепью (магнитопроводом) называется совокупность различных ферромагнитных и неферромагнитных частей электротехнических устройств, предназначенных для создания магнитных полей необходимой конфигурации и интенсивности.

Конструкции магнитопроводов и их функциональное назначение в электротехнических устройствах (электрические машины, трансформаторы и др.) весьма разнообразны. На рис. 1.9 показан пример простейшей магнитной цепи, применяемой в трансформаторах. На тороидальный сердечник намотана обмотка, по которой протекает переменный электрический ток, возбуждающий в магнитопроводе и вокруг него переменное магнитное поле.

Закономерности, происходящие в такой, как и в любой другой магнитной системе, описываются законом полного тока для магнитной цепи. Этот закон устанавливает, чтоинтеграл от напряженности магнитного поля по любому замкнутому контуру равен алгебраической сумме токов проводников, пронизывающих поверхность, ограниченную эти контуром

. (1.30)

Вобщем случае, если токи разнонаправлены, как это показано на рис. 1.10, то положительными следует считать те токи, направление которых соответствует обходу контура по направлению движения часовой стрелки (правило буравчика). В частности, для контура на рис. 1.10 закон полного тока может быть записан в виде

. (1.31)

Суммарный ток ,, создающей магнитное поле, называется магнитодвижущей силой (м.д.с.) по аналогии с электродвижущей силой (э.д.с), вызывающей ток в замкнутой электрической цепи.