Намагничивание ферромагнитных материалов

Лекция №11
Намагничивание ферромагнитных материалов
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.
Под действием внешнего магнитного поля, создаваемого, например,
током
в катушке, намотанной на стальной сердечник, изменяются
направления элементарных магнитных моментов и при усилении внешнего
поля, увеличивается магнитный момент всего тела. Таким образом,
появляется добавочное магнитное поле, которое складывается с внешним и
усиливает его.
H – напряженность внешнего магнитного поля
В – магнитная индукция в ферромагнитном материале
В0 – магнитная индукция в неферромагнитном материале
J – намагниченность ферромагнитного материала
Jнас – предельная намагниченность среды
В(Н) – кривая намагничивания
Намагниченность J ферромагнитного материала не может возрастать
безгранично. Если направление полей самопроизвольно намагничивается во
всех областях, окажется совпадающим с направлением внешнего магнитного
поля, намагниченность среды достигнет своего предельного значения Jнас.
Каждый ферромагнитный материал имеет характерную кривую
намагничивания.
Циклическое перемагничивание
Магнитное состояние ферромагнита, подвергающегося переменному
намагничиванию, характеризуется гистерезисным циклом.
Магнитный
гистерезис
характеризуется
тем,
что
процесс
намагничивания и размагничивания ферромагнита происходит неодинаково.
При изменении намагничивающего поля величина магнитной
поляризации материала зависит не только от существующей в данный
момент напряженности намагничивающего поля, но и от ее предшествующих
значений.
В частности, когда напряженность намагничивающего поля
уменьшается от Н1 до нуля, то магнитная индукция В не снижается до нуля, а
будет иметь значение В0. магнитная индукция доходит до нуля только под
действием направленного в противоположную сторону поля с
напряженностью Н0.
То же наблюдается и при изменении напряженности поля в обратном
направлении (от – Н0 до Н1).
Таким образом, зависимость В от Н при перемагничивании имеет форму
петли, называемой петлей гистерезиса.
В результате гистерезиса часть энергии, затраченной на намагничивание
тела, при размагничивании не возвращается обратно, а превращается в тепло.
Поэтому
многократное перемагничивание материала при наличии
гистерезиса связано с заметным нагревом намагничиваемого тела. Поэтому
для магнитных целей с переменным магнитным потоком применяют
материалы с меньшим гистерезисом (т.н. магнитно-мягкие материалы).
И напротив, для создания постоянных магнитов используют материалы
с большим гистерезисом (магнитно-жесткие). Например, кобальтовая сталь,
сплав-Альни и др.
Магнитная цепь
Магнитной цепью называется устройство, в котором замыкается
магнитный поток.
Неразветвленная
магнитная цепь
Разветвленная магнитная
цепь
При расчетах магнитных цепей обычно используются правилом
Кирхгофа для магнитной цепи:
Алгебраическая сумма магнитных потоков в точке разветвления
равна нулю
Ф  0
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:
F  I  l  B  sin  (для прямолинейного провода)
dF  I  dl  B  sin  (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: E  B  V  l
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 F  B  l  I .
Т.к. сила F направлена противоположно вектору скорости, то для
движения провода нужно приложить внешнюю силу.
Двигатель, создающий внешнюю силу, должен развить механическую
мощность:
Pмех  F  V
Подставив выражения силы F, получим:
Pмех  B  l  I  V  I  E
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 F  B  l  I 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, E в стр  B  l  V
По второму правилу Кирхгофа для контура:
E  Eвстр  I  r0  I  r
где r – сопротивление прямолинейного провода,
r0 – сопротивление остальной части цепи.