Попов В.С., Николаев С.А. Общая электротехника с основами электроники (1972), страница 13

Магнитное пеле катушки с током Для концентрации магнитного поля в определенной части пространства из провода изготовляют катушку, по которой пропускают ток. Увеличение магнитной индукции поля достигается увеличением числа витков- катушки н размещением ее на стальном сердечнике, молекулярные токи которого, создавая свое поле, увеличивают результирующее поле катушки. Кольцевая катушка (рис.

3-11) нмеег ш витков, равномерно распределенных вдоль немагнитного сердечника. Поверхность, -ограниченная окружностью радиуса Яь совпадающей с средней магнитной линией, пронизывается полным током Х1 = 1в. Вследствие симметрии напряженность поля' Н во всех точках, лежащих'на средней магнитной линии, одинакова, поэтому и.

д. с. Р„Н1 = Н2пН. По закону полного тока 1в=Н1, (3-17) откуда напряженность магнитного поля на средней магнитной линии, совпадающей с осевой линией кольцевой катушки, Н 1 (3-18) а магнитная индукция В=В,Н=„,— = 125р г 10 в, Т, (3-19) ' тз Прн ггг — 1се <, ')т, магнитную индукцию на осевой линии с достаточной точностью можно считать равной сред- нему значению ее, н, следовательно, магнитный поток сквозь поперечное сечение катушки Ф=ВЗ=р,—. (3-20) Уравнению (3-20) можно придать форму закона Ома для магнитной цепи Ф = — = — ", (3-21) — ~!(и,~) — л — "„ где Ф вЂ” магнитный поток; г„— м. д. с.; )т„= 11()е,Я) — сопротивление магнитной цепи (сердечника).

Уравнение (3-21) аналогично уравнению закона Ома для электрической цепи, т. е. магнитный лоток равен отношгмшо м. д. с. к магнитному сопротивлению цепи, — Цилиндрическую катушку (рис. 3-12) можно рассматривать как часть кольцевой катушки с достаточно большим ра- Рис, 3-12.

Цилинд- диуром и с обмоткой, расположенной рическая катушка. только на части сердечника, длина которой равна длине катушки. Напря- женность поля и магнитную индукцию на осевой линии в центре цилиндрической катушки определяют по форму- 'лам (3-18) и (3-19), которые в этом случае являются.при- ближенными н применимыми только для катушек, у кото- рых 1~ с( (рис. 3-12). Пример 3-5.

Цилиндрическая катушка с сердечником иа неферро- магннтного материала р = 1, с числом витков 2000, имеет длину 30 см и диаметр 5 см. Определить магнитный поток катушки прн токе в ней 5 А. Решение, Магнитный поток катушки ф 125 1™~ 10 и 125 1 5 ° 2000 3,14 ° 0,025, ш-в 31.ю-епа ! 0,3 3-6.

Феррематнетиии, мк намагничивание н перемагннчнвание Материалы, обладающие большой магнитной проницаемостью, называются фгрромагнгтиками. К ним относятся: сталь, железо, никель, кобальт, нх сплавы и др. Магнитные свойства веществ зависят от магнитных свойств элементарных носителей магнетизма — движущихся внутри атомов электронов, а также от совместного действия их групп. Электроны в атомах, двигаясь по орбитам вокруг ядра атома,образуютэлементарные токи или маги и т й ы е д и п о л и, которые характеризуются магнитным моментом диноля т. Величина его равна произведению элементарного тока 1 и элементарной площадки Я (рис, 3-13), ограниченной элементарным контуром т =. (Я.

Вектор т направлен перпендикулярно к площадке Я по правилу буравчика. Магнитный момент тела представляет собой геометрическую сумму магнитных моментов всех диполей. Кроме рассмотренных орбиталь- 8 ных моментов электроны, вращаясь 6 вокруг своих осей, создают еще так называемые спиноеые моменты, которые играют важнейшую роль в намагничивании ферромагнетнков, Рнс. 3-13. Магнитный В ферромагнетиках образуются момент динсан, отдельные самопроизвольно намагниченные области (10 ' † а см"), спиновые моменты которых ориентируются параллельно.

Если ферромагнегик не находится во внешнем поле, то магнитные моменты отдельных областей направлены самым различным образом н суммарный магнитный момент тела равен нулю— ферромагнетик не намагничен. Внесение ферромагнетика во внешнее магнитное поле, например катушки с током, вызывает поворот магнитных моментов части областей в направлении внешнего поля и рост размеров тех областей, направления магнитных моментов которых близки к направлению внешнего поля. В результате ферромагнетик намагничивается.

Если при увеличении внешнего поля все области будут ориентированы в направлении внешнего поля и прекратится рост областей намагничивания, то наступит состояние пре. дельной намагниченности ферромагнетика, называемое магнитным насыщением. В магнитной пепи, образованной преимущественно ферромагнитными участкамн, можно получить большую магнитную индукцию при относительно малой м, д. с. Профессор Московского университета А.

Г. Столетов в 1872 г., помещая стальной сердечник в катушку с током н измеряя магнитную индукцию в нем (В) прн различных значениях напряженности поля (Н), впервые получил зависимость В = 1 (Н), которая изображается кривой н ачального намагничивания (рис.314). Кривая состоит из трех участков: 1) прямолинейный участок Оа показывает, что в начале магнитная индукция быстро вц~ч " растет почти пропорциональ- но напряженности; 2) уча- ~~1) сток аб, называемый коленом ач кривой, на котором ростмагнитной индукции замедляется; 3) участок, расположенный за коленом кривой, показывает, что здесь зависимость между В и Н линейна„но нарастание магнитной индукции происходит медленно вследствие магнитного насыщения.

д..г. Стслетон (1330 — 1806). Нелинейная зависимость В = 1 (Н) показывает, что магнитная проницаемость ферромагнетика р, = В/Н непостоянна и зависит от напряженности поля. При работе в цепях переменного тока происходит периодическое перемагнича)ванне ферромагнетика. При увеличении намагничивающего тока, а следовательно, и напряженности А поля Н магнитная иидукция достигает максималь- ааг лххг хвоем Ф Рис.

3-14. Начальная ири- Рис. 3-15. Петля гистерезиса наянамагиичиааниясталн. ного значения + В„(рис. 3-15). При уменьшении Н магнитная иидукция уменьшается, ио при тех же значениях, Н магнитная иидукция имеет несколько большие значе-,' 76 ь ко ння, чем при нарастании Н (участок кривой АБ). При напряженности поля Н = О магнитная индукция называется о с т а'т о ч н о й В, (отрезок ОБ рис. 3-15).

Из изложенного следует, что магнитная индукция зависит не только от напряженности поля, но и от предварительного магнитного состояния ферромагнетика. Рассмотренное явление запаздывания магнитной индукции называется м а г н и т н ы'м г и'с т е р е з н с о-и. Оно вызывается как,бы вйртренним трением, возникающим при изменении ориентации магнитных моментов областей само- Ае .произвольного намагничивания.

При изменении направления намагничивающего тока меняется и направление ианряженности +Н поля. Доведя ее до значения Н„ называемого к о з р ц и т и в- а но й с и л о й (отрезок ОГ), получим индукцию В = О. А .Г П и дальнейшем увеличении е Н ратного направления магнитная индукция достигнет зна- Ае . чения — В„. Далее уменьшая Н рис. з-16. три петли гнета. до нуля, получим уменьшение В резиса и основная кривая до значений остаточной индук-, намагничивания стали.

ции (отрезок ОЕ). Наконец, изменив еще раз направление Н и увеличив ее снова, получим индукцию + В,. Таким образом, при циклическом перемагничивании ферромагнетика зависимость В = ~ (Н) графически можно представить замкнутой кривой — симметричной петлей гиегпереэиса АБГДЕЖА. Наибольшая из возможных петель для данного материала называется п р е д е л ь н о й петле й. Построив для данного ферромагнетика несколько симметричных петель с разными В„(рис.

3-16) и соединив вершины петель, получим основную кривую. нам а г н и ч и в а н и я, близкую к кривой начального намагйичивания. Перемагничивание стали вызывает нагрев, что связано с потерями энергии от гистерезиса. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затраченной на один цикл перемагничивания. Мощность удельных потерь от гистер е з и с а, выраженная в ваттах на килограмм массы сердечника, зависит от сорта стали, магнитной индукции и Рис. 3-17. Петли гистерелиса для разливных материалов. 1 — магввтномягкяй материал, электротехническая сталь; 1 — магиитномяг квй материал, лермаллой; а — магвитиотвердмй материал, числа циклов перемагничивания стали в секунду или, что то же, частоты переменного тока 7 в обмотке электромагнита.

Основная кривая намагничивания и петля гистерезиса характеризуют свойства магнитных материалов. Три петли, типичные для мягкой Стали, пермаллоя и твердой стали даны ца рис. 3-17, 3.9. Феррйрмагннтйые материалы а) Магнмтномягима материалы Магнитномягкие материалы обладают высокой магнитной проницаемостью, малой коэрцитивной силой Н, (ниже 400 А/и) и малыми 'удельными потерями. К этой группе относятся: техническое железо, низкоуглеродистые стали, листовые электротехнические стали, некоторые железо-никелевые сплавы (пермаллои) и оксидные ферромагнетики. Они применяются для изготонления магнитопроводов постоянного и переменного потоков. Техническое железо (углерода до 0,04о4) обладает высокой индукпией насыщения (до 2,2 Т), высокой магнитной проннцаемостью (1с = 3 500 + 7 000), низкой коэрцнтивной силой (Н, = 50 — 100 Аlм).

Техническое железо, углеродистые стали и чугун применяются для магннтопровсйхов, работающих в постоянных магнитных полях. 78 при высоких значениях магнитной 'индукции. Стали с высоким содержанием кремния (2,8— 4,8%) ' применя|отся при промышленной и повышенной частотах, при необходимости иметь малые потери от гистерезиса и вихревых токов илн высокую магнитную проницаемость в слабых и средних полях. а5 д т55 555 150 т5ЙГ' 7555 А/ае Согласно ГОСТ 802-88 рнс. 3-19. Кривые намагничивания сорта стали обозначаются некоторых ферромагнитных мате- буквой Э (электротехниче- риалов.

ская) и цифрами. Первая цифра указывает процентное содержание кремния. Вторая оиределяет электромагнитные свойства стали. Третья — 0 обозначает холодную прокатку стали. Основные кривые намагничивания для некоторых сортов стали даны на рис. 3-18. П е р м а л л о й — это сплав железа, никеля и некоторых других элементов.

Этн сплавы обладжот высокой магнитной проиицаемостью, в слабых магнитных полях. Они делятся на высокоиикелевые (70 — 80%) и низкони. келевые (40 — 30% никеля). Магнитные свойства пермаллоев очень сильно зависят от содержания никеля и от технологии их изготовления. Буква П в обозначении марки пермаллоя указывает на прямоугольную петлю гистерезиса (рис. 3-19). Прямоугольность петли характеризуют отношением остаточной ин- Листовые электротехнические стали представляют собой сплавы железа с кремнием (1 — 4%).