3. Магнитное поле в магнитных цепях

Принцип работы большинства электротехнических устройств базируется на электромагнитных явлениях, поэтому их можно считать устройствами электромагнитными. Одной из сторон электромагнитного поля есть поле электрическое, которое характеризуют его действием на заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и независимой от ее скорости. Но в электромагнитных устройствах используют взаимодействие проводников с током, или проводников с током и электромагнитного поля, индицирование ЭДС в проводниках, которые движутся в электромагнитном поле или в неподвижных проводниках, относительно которых движется или изменяется электромагнитное поле. Во всех этих случаях электромагнитное поле проявляет себя как магнитное, поэтому когда речь идет об электромагнитных устройствах употребляется термин "магнитное поле".

Магнитное поле характеризуют индукцией и напряженностью , которые связанные между собою соотношением . Здесь μ_а − абсолютная магнитная проницаемость среды, в которой существует поле, , где μ_r − относительная магнитная проницаемость среды, μ₀ − магнитная постоянная, которая равняется

В магнитных цепях магнитный поток создается МДС F, которую определяет величина тока І и количество витков w катушки, которая создает магнитное поле: Напряженность магнитного поля H связанная с магнитодвижущей силой законом полного тока:

Магнитное поле характеризуют линиями поля − магнитными линиями. Если магнитные линии параллельны и проходят на одинаковом расстоянии одна от другой, то такое магнитное поле называют однородным. Линии магнитного поля непрерывные. Магнитный поток Ф в магнитных цепях можно рассматривать как аналог тока І в электрических цепях. В случае однородного магнитного поля индукция магнитного поля В=Ф/S, а напряженность

У ферромагнитных материалов (железо, никель, кобальт, некоторые сплавы) относительная магнитная проницаемость μ_r может быть намного большей, чем у воздуха. Благодаря применению в магнитопроводах электромагнитных устройств ферромагнитных материалов для определенного значения тока в катушке и определенной величине напряженности магнитного поля Н можно увеличить магнитную индукцию В во столько раз, во сколько раз относительная магнитная проницаемость этих материалов больше, чем у воздуха.

Свойства ферромагнитных материалов характеризует кривая намагничивания, которая представляет собой зависимость электромагнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н или от магнитодвижущей силы , и ширина гистерезисной петли, создаваемой кривой намагничивания при перемагничивании материала. Ферромагнитные материалы, которые используют в электромагнитных устройствах с переменными магнитными полями в магнитопроводе, должны иметь узкую петлю гистерезиса для уменьшения потерь на перемагничивание. Такие материалы называют магнитомягкими. Наоборот, ферромагнитный материал для изготовления постоянных магнитов должен иметь широкую петлю гистерезису с высокой остаточной индукцией. Такие материалы называют магнитотвердыми.

В электромагнитных устройствах магнитная цепь (магнитопровод) создается ферромагнитными и не ферромагнитными участками, предназначенными для создания магнитного поля нужной конфигурации и интенсивности. Поскольку аналогом тока в электрической цепи в цепи магнитной есть магнитный поток, а аналогом ЭДС − магнитодвижущая сила , то в соответствии с законом Ома для магнитной не разветвленной цепи эквивалентное магнитное сопротивление цепи равняется . Здесь Ф_м − магнитный поток в магнитопроводе. По аналогии с электрической цепью второй закон Кирхгофа для магнитной цепи утверждает, что алгебраическая сумма МДС в контуре магнитной цепи равняется алгебраической сумме падений магнитных напряжений на участках контура.

При анализе магнитных цепей с воздушным зазором надо или найти МДС F по заданному магнитному потоку, или индукции в воздушном зазоре, или найти магнитный поток и индукцию в воздушном зазоре по заданной МДС F. Для решения первой задачи в упрощенном варианте однородного поля следует по заданному магнитному потоку Ф определить индукцию В в магнитопроводе и найти по кривой намагничивания напряженность магнитного поля Н. Воспользовавшись законом полного тока найти падения магнитных напряжений в участках магнитопровода и по второму закону Кирхгофа определить МДС катушки. Для решения обратной задачи − определение магнитной индукции В по заданной МДС F следует задаться несколькими значениями В, по кривой намагничивания найти соответствующие значения магнитной напряженности Н и, воспользовавшись законом полного тока, определить для участков магнитопровода несколько значений МДС F. Построить зависимость F=F(B) и по ней для заданной величины F_З найти магнитную индукцию В.

В магнитной цепи с воздушным зазором магнитодвижущая сила катушки F приближенно равняется магнитному напряжению на воздушном зазоре.

В электромагнитных устройствах с подвижными частями магнитное поле всегда старается вызвать такое перемещение, в результате которого магнитное сопротивление становится минимальным. Катушка, по которой течет ток, втягивает цилиндрический сердечник из магнитомягкой стали, расположенний по оси катушки, в середину катушки. Сердечник втягивается до середины катушки, то есть к области поля, где магнитная индукция максимальная, независимо от направления магнитных линий поля, то есть эффект втягивания сердечника в середину катушки наблюдается как при постоянном, так и при переменном токе в катушке.

Эффект втягивания металлических сердечников в катушку или притягивание подвижной части магнитопровода к неподвижной широко используется в технике, например в измерительных приборах электромагнитной системы, а также в коммутационных аппаратах − контакторах, реле, магнитных пускателях.